Design of the attitude and orbit control system for the European student moon orbiter (ESMO)

In this work is presented the Design of the Attitude and Orbit Control System of the European Student Moon Orbiter (ESMO). ESMO is an educational mini-satellite project of the European Space Agency, planned to be the first student mission to the Moon. ESMO objective is to reach lunar orbit and take pictures of the Moon. More than 20 student teams across Europe from the ESA Member States and ESA Cooperating States have been working on the project. The AOCS is up to provide Sun and Moon pointing and thrust vector control during manoeuvres. Because of the educational background of the mission, low cost is one of the main drivers. In the thesis, the strategies adopted to deal with this problem is described. The AOCS1 team from Politecnico di Milano is in charge of the design of the subsystem, the choice of hardware units and the design of the AOCS software interfaces and algorithms, posing requirements on other teams such as AOCS2 in charge of the control law design. In the second half of 2011 the authors presented the subsystem design to the Preliminary Design Review (PDR) and in the student session of the ESA GNC conference. With the successful close-out of the PDR in October the ESMO project is ready for the beginning of the detailed design phase.

In questo lavoro viene presentato il progetto del Sistema di Controllo Orbitale e d'Assetto (AOCS) del satellite ESMO (European Student Moon Orbiter). ESMO è un programma dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA) gestito dalla divisione Education dell'agenzia. Prevede lo sviluppo di un mini-satellite che costituirà la prima missione studentesca verso la Luna. L'obiettivo del programma è la creazione di un micro-satellite che porti in orbita lunare alcuni payload per condurre rilevamenti scientifici e acquisire immagini del suolo lunare. Più di 20 team di studenti in tutta Europa, provenienti dagli Stati Membri dell'Agenzia Spaziale Europea e dagli Stati Cooperanti con essa, stanno lavorando al progetto. Sin dall'avvio del progetto il Politecnico di Milano è stato presente con un team di AOCS (prima come team di riserva e poi come team principale) e dall'inizio della fase B1 anche con un team di Propulsione. Il sistema di controllo d'assetto è incaricato di fornire al satellite le capacità di puntamento verso il Sole e la Luna e di controllare la direzione di spinta dei motori principali durante le manovre orbitali. Data la caratteristica di cooperazione universitaria del progetto, la limitata disponibilità economica, in confronto ad altre simili missioni, è uno dei vincoli maggiori. Nel lavoro di tesi sono evidenziate le strategie adottate per rispettare questo limite. Il compito del gruppo AOCS1 del Politecnico è quello del progetto del sottosistema con la scelta dei componenti hardware e il progetto del software di controllo d'assetto per quanto riguarda interfacce ed algoritmi. Il lavoro del team genera requisiti per altre squadre come ad esempio AOCS2 che si occupa del progetto della legge di controllo. Il lavoro di seguito esposto rappresenta il progetto del sottosistema come è stato presentato alla Revisione del Progetto Preliminare, ovvero l'ultimo passo prima del progetto dettagliato. Partendo dai requisiti della Missione e dai requisiti di Sistema, sono stati ricavati i requisiti relativi al Sottosistema AOCS e quelli richiesti dall'AOCS nei confronti degli altri sottosistemi. Per soddisfare questi requisiti si è proceduto a delineare la conformazione di base del sistema: sensori, attuatori, procedure del software e controllore. Si è quindi iniziato ad analizzare i disturbi a cui è sottoposto il satellite durante la missione e che tendono a modificare l'assetto in maniera non desiderata, ciò ha portato alla definizione delle caratteristiche delle unità necessarie a permettere il controllo del satellite come richiesto. In seguito si è svolta una fase di verifica delle capacità del sistema così progettato, confermando il soddisfacimento dei requisiti precedentemente stilati. Dovendo tenere in considerazione le limitazioni derivanti dal budget della missione e dalla disponibilità di "spare parts" fornite da ESA ed SSTL, si è fatta una selezione delle unità da utilizzare che posseggono le caratteristiche richieste. Definito quindi il sistema AOCS e superata nella seconda metà del 2011 la Preliminary Design Review (PDR), il programma ESMO è pronto per iniziare il progetto di dettaglio.