Attitude Determination and Control System Testbed for Hardware and Software Testing and Verification for Small Satellites

Abstract

I de siste årene har det vært en økning av antall småsatellitter som har blitt laget og sendt ut i verdensrommet. En viktig del av den nødvendige teknologien for a få disse til å virke som de skal, er kontrollsystemer som sikrer at satellittene peker i riktig retning, kalt Attitude Determination and Control Systems (ADCS). Målet til denne masteroppgaven har vært å designe, utvikle og bygge en testbenk for slike ADCS. Testbenken skal brukes til å teste funksjonalitet og ytelser til ADCS-komponenter, algoritmer, og delsystemer til både små og store satellittdeler, inkludert fullskala små kubesatellitter for prosjektene HYPSO (HYPer-spectral SmallSat for ocean Observation) og Orbit NTNU ved Norges teknisknaturvitenskapelige universitet (NTNU). Testbenken kan også brukes av andre interesserte innen akademia og romfartsindustrien.

I arbeidet, og ved bruk av teori og simuleringer, har et Helmholtz-bur blitt designet og bygget. I dette, som utgjør hoveddelen av testbenken, kan en skape et tidsvarierende magnetisk felt som kan brukes til ADCS-testing. En egen kode er utviklet slik at Helmholtz buret kan kontrolleres - både basert på spesifikk input, og også på input fra en modell av jordas magnetfelt som simulerer magnetfeltet en satellitt opplever i bane rundt jorda. Videre er også en solsimulator en del av testbenken, sammen med en teststand som gjør det mulig a gjennomføre semi-friksjonsløs testing av rotasjon i tre frihetsgrader, ved bruk av et sfærisk luftlager. Både teoretisk og gjennom simuleringer er det verifisert at ADCS- testbenken fungerer. Testbenken er brukt til å teste en ending av rotasjonshastigheten til en 2U kubesatellitt, og testing av solsensor ved bruk av sol simulatoren.

Resultatene av denne masteroppgaven er designet, byggingen og testingen av en fullt funksjonell ADCS-testbenk som kan brukes for å sjekke funksjonalitet, pålitelighet og øke ytelsen til smasatellitter og kubesatellitter.

In recent years, there has been an increase in the number of small satellites that have been made and launched into space. An important part of the technology needed to make these work properly is control systems that ensure the satellite’s payload, antennas, and solar panels point in the correct direction, called Attitude Determination and Control Systems (ADCS). The aim of this master’s thesis has been to design, develop and build a testbed for such ADCS. The testbed will be used to test the characteristics and performance of ADCS components, algorithms, and subsystems for both small and large satellite components, including full-scale cube satellites for the HYPSO (HYPer-spectral SmallSat for ocean Observation) and Orbit NTNU projects at the Norwegian University of Science and Technology (NTNU). The ADCS testbed can also be used by other interested parties in academia and the aerospace industry.

To generate a time-varying magnetic field, used for ADCS testing, a Helmholtz cage has been designed and built. Software has been developed so that the Helmholtz cage can be controlled based on specific parameters and input from a model of the Earth’s magnetic field that simulates the magnetic field a satellite experiences in orbit around Earth. A sun simulator is also part of the testbed. The last part of the testbed is a test stand that makes it possible to carry out tests in quasi-frictionless rotational motion in 3 degrees of freedom, using a spherical air bearing.

Theory, calculations, and simulations have been used throughout to verify construction, approaches, and results. The testbed has also been used to perform detumble and sun sensor tests with a 2U cube satellite, leading to successful changes in rotational speed. Thus, the result from the design, construction, and testing undertaken in this thesis, is a fully functioning ADCS testbed that can be used for testing of small satellites and cube satellites to check functionality, reliability, and to increase performance.