Technologies for a miniature LEO satellites telecommunication network

The aim of this work is to investigate alternative strategies and technical solutions for the realization of low cost telecommunication networks based on miniature satellites. The research is particularly focused on nanosatellites, which represent a class of space vehicles weighing between 1 and 10 kg. Miniature satellites are advantageous as their design and production time is significantly lower than that of traditional satellites; moreover, their reduced mass results in very low production and launch costs, especially if piggyback launches are exploited. However, the reduced onboard resources still prevent the use of miniature satellites for complex or high performance applications. In this work, two strategies have been investigated to cope with the current limitations of miniature satellites. The first strategy consists of using clusters of small, identical satellites with cooperation capabilities instead of traditional, large satellites, for the realization of telecom constellations. Such architecture implies several advantages; first, by replacing obsolete or damaged units with new ones it is possible to upgrade the system using more advanced technology, or to extend the system lifespan; second, if the amount of small satellites becomes sufficiently large – dozens to hundreds – then economy of scale applies, with significant cost savings. The analysis that was performed shows that such cost savings can sum up to 25% of the cost of constellations based on traditional, monolithic satellites with equivalent performance. Then, the technology gaps preventing the implementation of this strategy have been identified and discussed, the most critical one being the capability to autonomously execute proximity navigation and docking. Thus, as gap-filling technical development, a sensor for relative navigation suitable for autonomous cooperative spacecraft was designed, built and tested. This activity was carried out in the framework of the ARCADE-R2 experiment, which participated to ESA’s Rexus/Bexus programme in 2013. The second strategy consists of enhancing the communication capabilities of miniature satellites. Optical communication was selected as break-through technology, and the task of precision laser beam pointing was identified as the most critical issue that prevents the use of lasercom terminals onboard miniature satellites. To cope with this, two systems have been proposed and modelled. The first consists of an actively-stabilized platform conceived to provide a stable base to laser pointing systems onboard micro/nano satellites; the second is a coarse pointing system for 3U CubeSats. Both systems are based on the parallel platform configuration, and share many similarities from a technical point of view. Detailed numerical models have been developed and used to preliminary size the needed actuators and sensors. Then, a testbed have been built, which features an excitation stage used to simulate the residual attitude motion of a miniature satellite in LEO and a simplified prototype of the stabilization platform. Laboratory tests have been carried out to validate the models of the system and assess its performance.

Lo scopo di questo lavoro è di esplorare strategie alternative e soluzioni tecniche per la realizzazione di reti di telecomunicazioni a basso costo basate su satelliti miniaturizzati. La ricerca si è focalizzata in particolare sui nanosatelliti, che rappresentano una classe di veicoli spaziali di massa compresa tra 1 e 10 kg. I satelliti miniaturizzati sono convenienti perché il tempo richiesto per il loro design e produzione è nettamente inferiore di quello richiesto per satelliti tradizionali; inoltre, la loro massa contenuta implica bassi costi di produzione e lancio, soprattutto se vengono sfruttati lanci piggyback. Tuttavia, le limitate risorse di bordo impediscono al giorno d’oggi l’utilizzo di satelliti miniaturizzati per applicazioni complesse o ad alte prestazioni. In questo studio, due strategie sono state investigate per superare le attuali limitazioni dei satelliti miniaturizzati. La prima strategia consiste nell’utilizzare flotte di satelliti identici e di piccole dimensioni, dotati di capacità di cooperazione, al posto dei tradizionali satelliti di grandi dimensioni, per la realizzazione di costellazioni per telecomunicazioni. Quest’architettura implica una serie di vantaggi; innanzitutto, sostituendo unità obsolete o danneggiate con unità nuove è possibile aggiornare il sistema con tecnologie più avanzate, o estendere la vita operativa del sistema; inoltre, se il numero totale di piccole unità diventa sufficientemente elevato – decine o centinaia – si può applicare economia di scala, con risparmi significativi. L’analisi che è stata effettuata mostra che tali riduzioni di costo possono ammontare al 25% del costo di una costellazione basata su satelliti tradizionali con prestazioni equivalenti. Successivamente, i limiti tecnologici che impediscono l’implementazione di questa strategia sono stati identificati e discussi, e la capacità di effettuare autonomamente navigazione relativa di prossimità e manovre di docking è stata individuata come la più critica. Per questo, quale tecnologia abilitante, un sensore di navigazione relativa per satelliti autonomi e cooperativi è stato sviluppato e testato. Questa attività si è svolta nell’ambito dell’esperimento ARCADE-R2, che ha partecipato al programma Rexus/Bexus dell’ESA nel 2013. La seconda strategia consiste nell’aumentare le capacità di telecomunicazione dei satelliti miniaturizzati. La comunicazione ottica è stata selezionata come tecnologia innovativa abilitante, e l’estrema accuratezza di puntamento richiesta da un sistema telecom laser è stata identificata come l’aspetto più critico che impedisce al giorno d’oggi l’utilizzo di terminali ottici a bordo di satelliti miniaturizzati. Per superare questo limite, due dispositivi sono stati proposti e studiati. Il primo consiste in una piattaforma stabilizzata attivamente il cui scopo è fornire una base stabile al sistema di puntamento del laser a bordo di micro/nano satelliti; il secondo consiste in un sistema di coarse pointing per CubeSat 3U. Entrambi i dispositivi si basano sulla configurazione del manipolatore parallelo e sono accomunati da varie somiglianze tecniche. Modelli numerici dettagliati sono stati sviluppati e utilizzati per dimensionare preliminarmente attuatori e sensori. Successivamente, è stato realizzato un sistema di test, composto da uno shaker rotativo, usato per simulare il moto d’assetto residuo di un satellite miniaturizzato in LEO, e da un prototipo semplificato della piattaforma stabilizzata. Test di laboratorio sono stati condotti per validare i modelli numerici e valutare le prestazioni del sistema in via preliminare.