Electric Thrusters' Behavior Modeling in Faster-evolving Hardware-in-the-loop Simulations

CubeSats are a class of miniaturized satellites that take advantage of commercial off-the-shelf components to reduce manufacturing costs. For years, CubeSats have been used in low Earth orbit activities. Then, in 2018, NASA launched MarCo (Mars Cube One), the first interplanetary mission performed by CubeSats. The success of the mission demonstrated the great potential of this class of satellites and prompted space agencies to develop new deep-space missions for CubeSats. The employment of CubeSats for space exploration, however, is hampered by the need for constant human supervision during the execution of operations and the saturation of available slots for communicating with probes. The solution to both of these problems is the development of fully autonomous CubeSats. This is the goal pursued by the EXTREMA project developed by the DART group. Achieving the project’s objective requires overcoming many engineering challenges. One of these is the development of a robust and efficient guidance algorithm, that will enable on-board computation of the optimal trajectory to reach the target. This algorithm, once developed, will be tested by performing faster-evolving hardware-in-the-loop (HIL) simulations of different mission scenarios using a facility developed by the group. To obtain reliable results, the simulations have to ensure a high level of realism. This thesis focuses on the implementation and validation of models capable of accurately describing the behavior of a low-thrust engine to be used during the simulations. While the use of such models is a common practice in numerical simulations and trajectory optimization processes, it is little exploited in HIL simulations. The first part of the thesis is dedicated to the description and to an initial assessment of the implemented models. The discussion, then, focuses on the deployment of the models on the single board computer used by the facility to control the hardware employed during the HIL simulations. The thesis concludes with the validation of the models described, carried out by performing HIL simulations of a reference guidance solution and comparing the results achieved with those obtained by running a fully numerical simulations of the same trajectory.

I CubeSat sono una classe di satelliti miniaturizzati che sfruttano componenti disponibili sul mercato per ridurre i costi di produzione. Per anni questi satelliti sono stati impiegati per svolgere attività nella bassa orbita terrestre. Nel 2018 la NASA ha lanciato la prima missione interplanetaria eseguita da CubeSat, MarCo (Mars Cube One), Il successo della missione ha dimostrato le grandi potenzialità di questa classe di satelliti e ha spinto le agenzie spaziali a sviluppare nuove missioni esplorative per CubeSat. L’impiego di CubeSat per l’esplorazione dello spazio, tuttavia, risulta ostacolato dalla necessità di una costante supervisione umana durante l’esecuzione delle operazioni e dalla saturazione degli slot disponibili per comunicare con le sonde. La soluzione a questi due problemi è rappresentata dallo sviluppo di CubeSat completamente autonomi. Questo è l’obiettivo perseguito dal progetto EXTREMA sviluppato dal gruppo DART. La creazione di CubeSat interplanetari completamente autonomi richiede il superamento di molte sfide ingegneristiche. Una di queste è lo sviluppo di un algoritmo di guida robusto ed efficiente che permetta il calcolo a bordo della traiettoria ottimale per raggiungere l’obiettivo. Questo algoritmo, una volta sviluppato, verrà testato dal gruppo eseguendo simulazioni hardware-in-the-loop (HIL) a rapida evoluzione di diversi scenari di missione. Per ottenere risultati affidabili, le simulazioni devono garantire un elevato livello di realismo. La seguente tesi si focalizza sull’implementazione e la validazione di modelli in grado di descrivere accuratamente il comportamento di un motore a bassa spinta da utilizzare per eseguire simulazioni HIL. L’impiego di tali modelli è una pratica comune nelle simulazioni numeriche e nei processi di ottimizzazione delle traiettorie, mentre risulta poco sfruttato nelle simulazioni HIL. La prima parte della tesi è dedicata alla descrizione e a una prima valutazione dei modelli implementati. La discussione si focalizza poi sul rilascio dei modelli sul single board computer utilizzato per controllare l’hardware impiegato durante le simulazioni HIL. La tesi si conclude con la validazione dei modelli, effettuata simulando una soluzione di guida di riferimento e confrontando i risultati ottenuti con quelli ricavati eseguendo una simulazione completamente numerica della stessa traiettoria.