Design and analysis of the attitude determination and control system for a lunar orbiter

The renewed interest in lunar exploration and future long-term missions around the Moon has increased the need for robust and accurate Attitude Determination and Control Systems (ADCS) capable of operating in the challenging environment of Low Lunar Orbit (LLO). Compared to Earth-orbiting missions, lunar spacecraft are subjected to complex perturbations, limited external references and demanding pointing requirements, making attitude control a critical aspect for mission success. This Master’s Thesis presents the design, modeling and analysis of an integrated ADCS for a lunar orbiter operating in a frozen LLO. A high-fidelity simulation framework has been developed in MATLAB® and Simulink®, including spacecraft rotational dynamics and kinematics, environmental disturbance models, attitude determination algorithms, onboard sensors, actuators and control logic. The modeled disturbances include lunar gravity gradient torque, solar radiation pressure and magnetic torque, while the attitude determination architecture integrates Sun sensors, horizon sensors and star trackers. The control system is based on a PD control strategy combined with Variable-Speed Control Moment Gyroscopes for high-precision attitude maneuvering and stabilization. The developed ADCS has been tested under representative mission scenarios, including detumbling operations, slew maneuvers and Moon-pointing stabilization. Particular attention has been devoted to the analysis of the spacecraft response under realistic operational conditions and environmental perturbations. In addition, a statistical sensitivity analysis has been performed by introducing uncertainties in the initial conditions and in key spacecraft parameters. This approach allows the evaluation of the robustness, stability and performance of the control system under off-nominal conditions and parameter variations. The results demonstrate the capability of the proposed ADCS architecture to achieve stable and accurate attitude control in the low lunar environment while maintaining robustness against disturbances and uncertainties. The Thesis provides a validated simulation framework and a systematic performance assessment that can support the development and optimization of future lunar orbiting missions.

L’interesse per l’esplorazione lunare e per le future missioni di lunga durata attorno alla Luna ha aumentato la necessità di sistemi di Determinazione e Controllo dell’Assetto (ADCS) robusti e accurati, in grado di operare nel complesso ambiente della bassa orbita lunare. Rispetto alle missioni in orbita terrestre, i veicoli spaziali lunari sono soggetti a perturbazioni più complesse, a una limitata disponibilità di riferimenti esterni e a requisiti di puntamento particolarmente stringenti, rendendo il controllo dell’assetto un elemento fondamentale per il successo della missione. Questa tesi di laurea magistrale presenta la progettazione, la modellazione e l’analisi di un ADCS integrato per un orbiter lunare operante in un’orbita lunare bassa e "congelata". È stato sviluppato un framework di simulazione ad alta fedeltà in MATLAB® e Simulink®, comprendente la dinamica e la cinematica rotazionale del veicolo spaziale, i modelli delle perturbazioni ambientali, gli algoritmi di determinazione dell’assetto, i sensori di bordo, gli attuatori e la logica di controllo. Le perturbazioni modellate includono il momento torcente dovuto al gradiente gravitazionale lunare, la pressione della radiazione solare e il momento magnetico, mentre l’architettura di determinazione dell’assetto integra sensori solari, sensori dell’orizzonte e i sensori di posizione stellari. Il sistema di controllo si basa su una strategia di controllo PD combinata con giroscopi che operano in regime di velocità variabile, per garantire manovre e stabilizzazione dell’assetto ad alta precisione. L’ADCS sviluppato è stato testato in scenari rappresentativi della missione, comprendenti operazioni di detumbling, manovre di slew e stabilizzazione con puntamento verso la Luna. Particolare attenzione è stata dedicata all’analisi della risposta del veicolo spaziale in condizioni operative realistiche e in presenza di perturbazioni ambientali. Inoltre, è stata condotta un’analisi statistica di sensibilità introducendo incertezze nelle condizioni iniziali e nei principali parametri del veicolo spaziale. Questo approccio consente di valutare la robustezza, la stabilità e le prestazioni del sistema di controllo in condizioni non nominali e in presenza di variazioni parametriche. I risultati dimostrano la capacità dell’architettura ADCS proposta di garantire un controllo dell’assetto stabile e accurato nell’ambiente lunare a bassa quota, mantenendo al contempo un’elevata robustezza nei confronti di perturbazioni e incertezze. La tesi fornisce un framework di simulazione validato e una valutazione sistematica delle prestazioni che possono supportare lo sviluppo e l’ottimizzazione delle future missioni in orbita lunare.