High-Fidelity Star Simulator for Cameras and Star Trackers

The adoption of star trackers is now extending to small satellites and CubeSat, thanks to their capability for high-precision attitude determination and compact size. Considering that over this decade the launches of small satellites will increase to 2500 per year, a need arises to research and develop new star trackers to meet the specific design requirements of this kind of satellite. The specifics of these new devices are characterized by the trend to implement multipurpose cameras qualified to perform accurate attitude determination and efficient scientific space observation. Therefore, it is necessary to develop new tools to accelerate and improve the research in design procedures and algorithms training, which are needed to meet the multipurpose requirements, that represent a trade-off between the attitude determination performance and the specific space observation demand. In star tracker research three methodologies are employed to obtain these results: digital simulation, hardware-in-the-loop simulation, and field testing of star observation. Consequently, the development of star image simulation software becomes imperative to accurately replicate the real-space environment and diverse configurations of star sensors. This thesis focuses on developing a high-fidelity star simulation software capable of fulfilling this new research branch. In particular, an accurate simulation model for the brightness of the stars in the image signal, which considers the colour index and differentiates the spectral class of stars through the blackbody theory, is introduced. Additionally, the simulation is completed with a reliable model of the most significant camera noises, such as source, temporal, position, fixed pattern, and environmental background noises. The results show that the developed simulator can generate detailed star images with high versatility in testing different parameters of cameras and simulated background conditions. The final step of this work is the study of the comparison between this high-detailed model, called Discrete Gray Scale (DGS), what respect to the most common simplified model, called Average Gray Scale (AGS).

L'adozione di star tracker negli ultimi anni si sta estendendo anche ai CubeSat e SmallSat, grazie alle dimensioni compatte e alla loro capacità di determinare l’assetto con elevata precisione. Si prevede che in questo decennio i lanci di piccoli satelliti aumenteranno fino a raggiungere i 2500 all'anno. Quindi, nasce l'esigenza di ricercare e sviluppare nuovi strumenti per accelerare e migliorare la ricerca sulle procedure di progettazione e sull’allenamento degli algoritmi necessari. In particolare, questi nuovi star tracker hanno la tendenza di implementare camere multifunzioni in grado di lavorare sia come star tracker che come camere per osservazioni scientifiche. Di conseguenza, i requisiti per queste camere multiuso devono essere un compromesso tra le prestazioni di misurazione e quelle di osservazione. Nello specifico, per la ricerca sugli star tracker vengono impiegate tre metodologie: la simulazione digitale, la simulazione hardware-in-the-loop e test in ambientazione reale. Di conseguenza, lo sviluppo di un software di simulazione delle immagini stellari diventa imperativo per replicare accuratamente l'ambiente spaziale e le diverse configurazioni possibili per le fotocamere. Questa tesi si concentra sullo sviluppo di un software di simulatore stellare ad alta fedeltà in grado di seguire questa nuova tendenza di ricerca. In particolare, viene introdotto un modello di simulazione accurato per la luminosità delle stelle nel segnale dell'immagine, che considera l'indice di colore e differenzia per la classe spettrale le stelle simulate. Inoltre, la simulazione è completata da un modello affidabile dei rumori più significativi delle camere, come i rumori di sorgente, temporali, di posizione, i fixed pattern e lo scenario ambientale. I risultati dimostrano che il simulatore sviluppato è in grado di generare immagini stellari dettagliate con un'elevata versatilità nel testare diversi parametri di camera e in svariate condizioni ambientali. Il risultato finale di questo lavoro è lo studio del confronto tra questo modello dettagliato, chiamato Discrete Gray Scale (DGS), e il modello semplificato più comunemente utilizzato, chiamato Average Gray Scale (AGS).