Progetto e realizzazione di un dispositivo di controllo e gestione remoto per un sistema di tracking satellitare (ALMATracker)

La seguente tesi presenta lo sviluppo di un sistema di controllo e gestione remota per il tracking di un satellite. Il progetto, denominato ALMATracker, è sviluppato dal corso di Ingegneria Aerospaziale della scuola di Ingegneria e Architettura Aerospaziale dell’Università di Bologna con sede a Forlì. Consiste nella creazione di una motorizzazione per antenne su due assi, movimentata da un hardware commerciale programmabile. Il posizionamento può essere eseguito sia manualmente, su richiesta di un utente da PC remoto, sia automaticamente secondo un’orbita preimpostata. I setpoint di velocità o posizione sono elaborati dal sistema fino ad ottenere un segnale che procede alla movimentazione in velocità dell’antenna. Il comando automatico, invece, orienta l’antenna in modo tale da mantenerla fissa su una traiettoria orbitale di uno specifico spacecraft. La movimentazione automatica segue funzioni polinomiali fornite dall’utente, ricavate da software di propagazione e predizione esterno al sistema ALMATracker. In questo caso il sistema deve procedere alla rotazione mantenendo la velocità richiesta dalla funzione polinomiale. Il controllo effettuato in catena chiusa è attuato tramite una serie di trasduttori di posizione presenti nel sistema.

Simulazioni Software-In-the-Loop per la verifica funzionale di un sistema di tracking satellitare (ALMATracker)

L'ALMATracker è un sistema di puntamento per la stazione di terra di ALMASat-1. La sua configurazione non segue la classica Azimuth-Elevazione, bensì utilizza gli assi α-β per evitare punti di singolarità nelle posizioni vicino allo zenit. Ancora in fase di progettazione, utilizzando in congiunta SolidWorks e LabVIEW si è creato un Software-in-the-loop per la sua verifica funzionale, grazie all'utilizzo del relativamente nuovo pacchetto NI Softmotion. Data la scarsa esperienza e documentazione che si hanno su questo recente tool, si è prima creato un Case Study che simulasse un sistema di coordinate cilindriche in modo da acquisire competenza. I risultati conseguiti sono poi stati sfruttati per la creazione di un SIL per la simulazione del movimento dell'ALMATracker. L'utilizzo di questa metodologia di progettazione non solo ha confermato la validità del design proposto, ma anche evidenziato i problemi e le potenzialità che caratterizzano questo pacchetto software dandone un analisi approfondita.

Studio e implementazione di algoritmi per il tracciamento ottimo di satellite LEO da stazioni di terra di tipo radioamatoriale

Questo elaborato di tesi ha l’obbiettivo di studiare le limitazioni delle stazioni di terra nel tracciamento di satelliti in orbita LEO, investigare possibili soluzioni ed implementare queste soluzioni all’interno della Ground Station AMGS di Forlì per verificarne l’efficacia. A questo scopo, dopo un’attenta revisione della letteratura sono stati identificati due promettenti algoritmi descritti nei paper: “Trajectory optimisation to minimise antenna pointing error” di P. S. Crawford , R. J. H. Brush e “An optimal antenna motion generation using shortest path planning” di Moon-Jin Jeon , Dong-Soo Kwon. Questi algoritmi sono stati implementi in Python 3, al fine di inglobarli all’interno del software di tracking al momento in uso nella GS di Forlì, ovvero AMGS Orbit Predictor. All’interno di questo elaborato sono anche riportati i risultati dei test conseguiti e una valutazione dettagliata di questi ultimi.

Simulazione di front-end GPS per la verifica di algoritmi di navigazione per satelliti LEO

Descrizione di un software di simulazione, realizzato attraverso la programmazione in Labview, che estrapola i dati immagazzinati nei file RINEX di navigazione e di osservazione della missione GRACE e li invia con le stesse modalità con cui lo farebbe il ricevitore OEM615 della NovAtel. L'obiettivo è creare un software che permetta di testare, nell'ambito della missione ESEO dell'ESA, il ricevitore GPS che farà parte del payoload della stessa missione, costituita da un micro-satellite che orbiterà in orbita bassa LEO, e che sarà composto da un ricevitore OEM615, da un'antenna GPS e da un processore di navigazione.

Localizzazione e tracking tramite filtri statistici in sistemi multi antenna

Uno dei temi più recenti nel campo delle telecomunicazioni è l'IoT. Tale termine viene utilizzato per rappresentare uno scenario nel quale non solo le persone, con i propri dispositivi personali, ma anche gli oggetti che le circondano saranno connessi alla rete con lo scopo di scambiarsi informazioni di diversa natura. Il numero sempre più crescente di dispositivi connessi in rete, porterà ad una richiesta maggiore in termini di capacità di canale e velocità di trasmissione. La risposta tecnologica a tali esigenze sarà data dall’avvento del 5G, le cui tecnologie chiave saranno: massive MIMO, small cells e l'utilizzo di onde millimetriche. Nel corso del tempo la crescita delle vendite di smartphone e di dispositivi mobili in grado di sfruttare la localizzazione per ottenere servizi, ha fatto sì che la ricerca in questo campo aumentasse esponenzialmente. L'informazione sulla posizione viene utilizzata infatti in differenti ambiti, si passa dalla tradizionale navigazione verso la meta desiderata al geomarketing, dai servizi legati alle chiamate di emergenza a quelli di logistica indoor per industrie. Data quindi l'importanza del processo di positioning, l'obiettivo di questa tesi è quello di ottenere la stima sulla posizione e sulla traiettoria percorsa da un utente che si muove in un ambiente indoor, sfruttando l'infrastruttura dedicata alla comunicazione che verrà a crearsi con l'avvento del 5G, permettendo quindi un abbattimento dei costi. Per fare ciò è stato implementato un algoritmo basato sui filtri EKF, nel quale il sistema analizzato presenta in ricezione un array di antenne, mentre in trasmissione è stato effettuato un confronto tra due casi: singola antenna ed array. Lo studio di entrambe le situazioni permette di evidenziare, quindi, i vantaggi ottenuti dall’utilizzo di sistemi multi antenna. Inoltre sono stati analizzati altri elementi chiave che determinano la precisione, quali geometria del sistema, posizionamento del ricevitore e frequenza operativa.

Tracking, photometry and spectroscopy of space debris: the Malindi, Loiano, Las Campanas and Cerro Tololo observation campaign results

The main purpose of my thesis has been the analysis of the space debris environment and their characterization through optical measurements. In particular I had the opportunity to contribute to the Italian Space Agency activities in space debris optical observation campaign and I cooperated directly with NASA Orbital Debris Program Office by working at the Astronomy Department of the University of Michigan for six months.

Sea level measurement using single GNSS antenna SNR signals

This thesis presents a possible method to calculate sea level variation using geodetic-quality Global Navigate Satellite System (GNSS) receivers. Three antennas are used: two small antennas and a choke ring one, analyzing only Global Positioning System signals. The main goal of the thesis is to test a modified configuration for antenna set up. In particular, measurements obtained tilting one antenna to face the horizon are compared to measurements obtained from antennas looking upward. The location of the experiment is a coastal environment nearby the Onsala Space Observatory in Sweden. Sea level variations are obtained using periodogram analysis of the SNR signal and compared to synthetic gauge generated from two independent tide gauges. The choke ring antenna provides poor result, with an RMS around 6 cm and a correlation coefficients of 0.89. The smaller antennas provide correlation coefficients around 0.93. The antenna pointing upward present an RMS of 4.3 cm and the one pointing the horizon an RMS of 6.7 cm. Notable variation in the statistical parameters is found when modifying the length of the interval analyzed. In particular, doubts are risen on the reliability of certain scattered data. No relation is found between the accuracy of the method and weather conditions. Possible methods to enhance the available data are investigated, and correlation coefficient above 0.97 can be obtained with small antennas when sacrificing data points. Hence, the results provide evidence of the suitability of SNR signal analysis for sea level variation in coastal environment even in the case of adverse weather conditions. In particular, tilted configurations provides comparable result with upward looking geodetic antennas. A SNR signal simulator is also tested to investigate its performance and usability. Various configuration are analyzed in combination with the periodogram procedure used to calculate the height of reflectors. Consistency between the data calculated and those received is found, and the overall accuracy of the height calculation program is found to be around 5 mm for input height below 5 m. The procedure is thus found to be suitable to analyze the data provided by the GNSS antennas at Onsala.

Design of a GNSS receiver for the ESEO mission

This thesis was carried out inside the ESA's ESEO mission and focus in the design of one of the secondary payloads carried on board the spacecraft: a GNSS receiver for orbit determination. The purpose of this project is to test the technology of the orbit determination in real time applications by using commercial components. The architecture of the receiver includes a custom part, the navigation computer, and a commercial part, the front-end, from Novatel, with COCOM limitation removed, and a GNSS antenna. This choice is motivated by the goal of demonstrating the correct operations in orbit, enabling a widespread use of this technology while lowering the cost and time of the device’s assembly. The commercial front-end performs GNSS signal acquisition, tracking and data demodulation and provides raw GNSS data to the custom computer. This computer processes this raw observables, that will be both transferred to the On-Board Computer and then transmitted to Earth and provided as input to the recursive estimation filter on-board, in order to obtain an accurate positioning of the spacecraft, using the dynamic model. The main purpose of this thesis, is the detailed design and development of the mentioned GNSS receiver up to the ESEO project Critical Design Review, including requirements definition, hardware design and breadboard preliminary test phase design.

Development and implementation of a S/W platform to automatically receive and share satellite data

Relazione del lavoro di creazione e implementazione della piattaforma software che sviluppa l’archivio del progetto SATNET. I satelliti universitari hanno un tempo di vista della propria Stazione di Terra di pochi minuti al giorno: SATNET risponde all’esigenza di comunicare con un satellite universitario in orbita bassa per più dei pochi minuti al giorno che una singola Stazione di Terra permette. Questo avviene grazie a una rete di Stazioni di Terra Satellitari collegate da specifiche missioni comuni che mettono in condivisione dati ricevuti da uno o più satelliti, aumentando il rendimento dati/giorno di questi e permettendo una migliore fruizione delle Stazioni di Terra stesse. Il network sfrutta Internet come canale di connessione, e prevede la presenza di un archivio nel quale memorizzare i dati ricevuti, per poi renderne possibile la consultazione e il recupero. Oggetto di questo lavoro di tesi è stato lo sviluppo e l’implementazione di tale archivio: utilizzando un sito web dinamico, il software risponde a tutte le richieste evidenziate nel paragrafo precedente, permettendo a utenti autenticati di inserire dati e ad altri di poterne avere accesso. Il software è completo e funzionante ma non finito, in quanto manca la formulazione di alcune richieste; per esempio non è stato specificato il tipo di informazioni che è possibile caricare in upload, né il tipo di campi richiesti nel modulo di registrazione dei vari utenti. In questi casi sono stati inseriti campi generici, lasciando all’utente la possibilità di modificarli in seguito. Il software è stato dunque concepito come facilmente personalizzabile e modificabile anche da utenti inesperti grazie alla sola lettura della tesi, che rappresenta quindi una vera e propria guida per l’utilizzo, l’installazione, la personalizzazione e la manutenzione della piattaforma software. La tesi evidenzia gli obiettivi e le richieste, mostrando l’aspetto del sito web e le sue funzionalità, e spiega passo per passo il procedimento per la modifica dell’aspetto delle pagine e di alcuni parametri di configurazione. Inoltre, qualora siano necessarie modifiche sostanziali al progetto, introduce i vari linguaggi di programmazione necessari allo sviluppo e alla programmazione web e aiuta l’utente nella comprensione della struttura del software. Si conclude con alcuni suggerimenti su eventuali modifiche, attuabili solo a seguito di un lavoro di definizione degli obiettivi e delle specifiche richieste. In futuro ci si aspetta l’implementazione e la personalizzazione del software, nonché l’integrazione dell’archivio all’interno del progetto SATNET, con l’obiettivo di migliorare e favorire la diffusione e la condivisione di progetti comuni tra diverse Università Europee ed Extra-Europee.

Study of the rotational state of Titan using radio tracking data of the Dragonfly mission

Our solar system contains an impressive amount of celestial bodies. For example Saturn posses a huge variety of natural satellites, the diversity in size and physical proprieties of which might amaze imagination. The observational data gathered in 30 years range of deep space missions revealed, that some of these bodies can hide subsurface oceans under their crust. The water, as we know, serves as a fundamental base for a possible appearance of life. This statement is quite exited for the scientific society and serves as a reason for studying so called ”ocean worlds”. In order to detect the celestial bodies with the hidden subsurface ocean, one of the key aspects is the study of their rotational state, which is strongly coupled with the body internal structure. It can be done through the various techniques mentioned in Chapter 1. The main goal of the thesis is the study of rotational state of Titan, whose interior structure expectedly contains liquid ocean layer under its icy crust. Titan is the largest moon of Saturn and it is the second largest moon in the solar system in general. This natural satellite is of particular scientific interest, because it is one of a kind which has substantial atmosphere. The present work was done using radio tracking data of the Dragonfly mission which is one of the next NASA’s missions destined for Titan selected as a part of the New Frontiers Program in 2019. The detailed characteristic of the Dragonfly regarding the landing site and mission lifetime was reported in Chapter 2. The radio-tracking communication link from Titan side was performed using Dragonfly X band transponder according to the schedule tracking opportunity. From Earth side according to the mission, Deep Space Station 25 which is a part of NASA’s Deep Space Network was considered. Only Doppler data was used for studying Titan rotational state, even though there are other reliable techniques described in Chapter 3, that in general could be implemented.

Implementazione e caratterizzazione di PLL digitali per doppler tracking di sonde deep space

I Phase-Locked Loops sono circuiti ancora oggi utilizzati per la generazione di segnali coerenti in frequenza e in fase con i segnali in ingresso, motivo per cui sono uno degli strumenti della radio scienza per la ricostruzione dei segnali scambiati con le sonde e nascosti dal rumore accumulato nel tragitto che separa le sonde stesse dalle stazioni di tracking a terra. Questa tesi illustra l'implementazione di un PLL digitale linearizzato in Matlab e Simulink in una nuova veste rispetto al modello implementato durante l'attività di tirocinio curricolare, al fine di migliorarne le prestazioni per bassi carrier-to-noise density ratios. Il capitolo 1 si compone di due parti: la prima introduce all'ambito nel quale si inserisce il lavoro proposto, ossia la determinazione d'orbita; la seconda illustra i fondamenti della teoria dei segnali. Il capitolo 2 è incentrato sull'analisi dei Phase-Locked Loops, partendo da un'introduzione teorica e approdando all'implementazione di un modello in Simulink. Il capitolo 3, infine, mostra i risultati dell'applicazione del modello implementato in Simulink nell'analisi dei segnali di una missione realmente svolta.

Graph-based User Scheduling for MIMO LEO-based Satellite Communication Systems

The study of the user scheduling problem in a Low Earth Orbit (LEO) Multi-User MIMO system is the objective of this thesis. With the application of cutting-edge digital beamforming algorithms, a LEO satellite with an antenna array and a large number of antenna elements can provide service to many user terminals (UTs) in full frequency reuse (FFR) schemes. Since the number of UTs on-ground are many more than the transmit antennas on the satellite, user scheduling is necessary. Scheduling can be accomplished by grouping users into different clusters: users within the same cluster are multiplexed and served together via Space Division Multiple Access (SDMA), i.e., digital beamforming or Multi-User MIMO techniques; the different clusters of users are then served on different time slots via Time Division Multiple Access (TDMA). The design of an optimal user grouping strategy is known to be an NP-complete problem which can be solved only through exhaustive search. In this thesis, we provide a graph-based user scheduling and feed space beamforming architecture for the downlink with the aim of reducing user inter-beam interference. The main idea is based on clustering users whose pairwise great-circle distance is as large as possible. First, we create a graph where the users represent the vertices, whereas an edge in the graph between 2 users exists if their great-circle distance is above a certain threshold. In the second step, we develop a low complex greedy user clustering technique and we iteratively search for the maximum clique in the graph, i.e., the largest fully connected subgraph in the graph. Finally, by using the 3 aforementioned power normalization techniques, a Minimum Mean Square Error (MMSE) beamforming matrix is deployed on a cluster basis. The suggested scheduling system is compared with a position-based scheduler, which generates a beam lattice on the ground and randomly selects one user per beam to form a cluster.

Design of a UHF-band transceiver module for nano-satellite applications

The thesis presents the UHF band transceiver project carried out under the lead of Spacemind company. In particular reports the outcome of the first phase of the project encompassing management tasks, requirements definition and the first electrical design. Then follows the study of the UHF band antenna which develops in parallel with the transceiver. The antenna plus the transceiver will be sold together as a complete UHF telecommunication system for cubesats made by Spacemind. As a main result, this work contributed to the design and manufacturing of the first transceiver prototype.