Gyro-less solutions to enhance star tracker functionalities at high tumbling rate

In the realm of space technology, star trackers are key components within the AOCS. Their significance is magnified by the potential to function at high angular velocities (up to 10 deg/s), potentially replacing costly gyroscopes or serving as backups in case of failure. Conducted between September 2023 and March 2024, research undertaken at Leonardo S.p.A. is driven by the aim to enhance spacecraft resilience and efficiency. This study's framework encompasses both hardware and software modifications to improve star tracker performance under high dynamics conditions. While hardware upgrades primarily target noise reduction in the APS detector, conducted by Leonardo S.p.A., software methodologies are effectively developed within the research. Three focal points include precise angular velocity determination using star fields at high angular rates and compensation for image distortions due to the "rolling shutter" effect during AAD, exploring filtering methods to minimise errors in angular velocity calculation during tracking mode. AAD algorithms are designed for practical compatibility with real-world sensor configurations, considering hardware constraints and execution time limitations. Beyond technological advancements, this research tackles the practical challenges of implementing innovations within stringent hardware parameters and operational time frames. Anticipated findings encompass a comprehensive understanding of current limits in high angular velocity star trackers and innovative methods for precise attitude and velocity determination under such conditions, ensuring reliable celestial tracking. Additionally, the study foresees insights into the practical adaptability of these methods to real setups fostered by close collaboration with the company. Overall, this thesis presents a substantial contribution to AOCS. The proposed methodologies promise potential cost savings and heightened reliability, thus contributing to advancements in space exploration and navigation.

Nell'ambito dell'ingegneria spaziale, i sensori stellari rappresentano componenti fondamentali dell’AOCS. La loro rilevanza aumenterebbe se fosse possibile farli operare a velocità angolari elevate, fino a 10 gradi al secondo, sostituendo potenzialmente i costosi giroscopi o fungendo da backup in caso di malfunzionamenti. Condotta tra settembre 2023 e marzo 2024, la ricerca svolta presso Leonardo S.p.A. mira a migliorare la resilienza e l'efficienza dei veicoli spaziali. Lo studio prevede modifiche sia hardware che software per ottimizzare le prestazioni del sensore stellare in condizioni dinamiche. Mentre gli aggiornamenti hardware mirano principalmente a ridurre il rumore nel rivelatore APS, svolti da Leonardo S.p.A., le metodologie software sono sviluppate nell'ambito della ricerca di tesi. Essa si concentra su tre aree di interesse: la determinazione della velocità angolare utilizzando campi stellari ad alte velocità e la compensazione delle distorsioni dell'immagine dovute all'effetto "rolling shutter" durante la AAD, l'esplorazione di metodi di filtraggio per minimizzare gli errori nel calcolo della velocità angolare durante la modalità di "tracking". Gli algoritmi della AAD sono progettati per essere compatibili con le configurazioni dei sensori reali, tenendo conto delle limitazioni hardware e dei vincoli temporali. Oltre ai progressi tecnologici, questa ricerca affronta le sfide pratiche dell'integrazione delle innovazioni all'interno del prodotto. I risultati attesi includono una comprensione delle limitazioni attuali dei sensori stellari ad alta velocità angolare e l'identificazione di metodi per la determinazione precisa dell'assetto e della velocità in tali condizioni, garantendo una performance affidabile. Inoltre, lo studio prevede un'analisi dell'adattabilità pratica di questi metodi a configurazioni reali, facilitata dalla collaborazione con l'azienda. Nel complesso, questa tesi offre un contributo significativo all'AOCS. Le metodologie proposte promettono potenziali risparmi sui costi e un aumento dell'affidabilità, contribuendo così al progresso nell'esplorazione e nella navigazione spaziale.