Negli ultimi tempi le missioni spaziali di piccoli satelliti sono sempre più frequenti, realizzati per scopi scientifici, didattici o per scopi puramente commerciali, assumendo ormai una rilevante valenza nel settore spaziale.
La rilevazione dell¿assetto del satellite mediante sensori stellari integrata alla rilevazione della direzione di arrivo (Direction of Arrival, DOA) di un¿onda audio o elettromagnetica da implementare sui piccoli satelliti è il tema di ricerca della presente proposta progettuale.
Essa sviluppa nel settore specifico spaziale il più generale tema dei sistemi di interazione ambientale, già applicate nei vari settori scientifici e industriali quali quelli: automobilistico, della robotica, della biomedica.
La presente ricerca vuole indagare e innovare i sistemi di controllo d¿assetto applicabili in missioni spaziali, dove le peculiarità di analoghi sistemi per apparati terrestri non sono applicabili a causa per esempio dell¿assenza della gravità terrestre, integrandole con i sistemi per individuare la DOA di un¿onda elettromagnetica. Così da avere un¿informazione riferita a un sistema inerziale solidale con il soggetto ricevente. La possibilità di riferire i dati geometrici di rilevamento a un sistema di posizionamento globale potrà essere garantita eventualmente dal riconoscimento dell¿assetto anche rispetto a una mappa stellare.
La ricerca si propone quindi di studiare e realizzare un sistema di interazione ambientale costituito da DOA + sensore stellare+ eventuale riconoscimento delle mappe stellari. Il programma di ricerca prevede uno sviluppo dei sistemi sensori finalizzato a migliorare la loro integrazione hardware/software, curando sia il contenimento dei costi di realizzazione che quelli di consumo energetico. Il dispositivo di rilevamento dell¿assetto oltre ad avere dimensioni e peso piccoli compatibili per l¿inserimento nei previsti alloggiamenti dei piccoli satelliti devono garantire risorse di calcolo indipendenti a basso consumo.
In letteratura sono presenti varie soluzioni di DOA, così come di Star Trackers abbinati a giroscopi. Oltre a selezionare e adattare le soluzioni software/hardware più vantaggiose per l'applicazione sui piccoli satelliti, un avanzamento rilevante per la significatività dei dati rilevati e l'integrazione e la fusione delle misure eseguite dai singoli sistemi sensori.
Criticamente, le soluzioni realmente valide di DOA RF non sono molte. I progetti basati su vector array Supercart operano in una banda compresa tra qualche MHz e meno di un centinaio di MHz, con un ¿Vector antenna¿ composto da più elementi, in genere sei. Evidentemente la banda di frequenza operativa di questa soluzione non è utile ai fini del presente progetto. Inoltre i risultati sperimentali che si ottengono con questo vector array mostrano che esso non riesce a stimare la direzione di arrivo dell'onda elettromagnetica per tutte le direzioni, ma solo di alcune di queste. E ancora, il forte accoppiamento fra gli elementi costituenti l¿antenna costituisce lo svantaggio più evidente di questa soluzione.
Le Co-Located Antennas, tipicamente realizzate con 6 elementi, di cui tre dipoli elettrici, e tre dipoli magnetici, generalmente dei loops Kandonian [1]. Dove i dipoli elettrici e magnetici rispondo rispettivamente ai campi elettrici e magnetici. Questa soluzione ha il vantaggio di saper rispondere a più di una polarizzazione, permettendo così di aumentare la capacità di canale in condizioni avverse con elevati fenomeni di scattering. La loro risposta a frequenze operative nell¿intorno dei 2 GHz è buona. Il numero di elementi potrebbe però essere elevato, raggiungendo il sensore dimensioni non compatibili con la piattaforma satellitare dove dovrebbe essere installata. Infatti entrambi i dispositivi di rilevamento della direzione di arrivo e di rilevamento dell'assetto devono avere dimensioni e peso ridotti, dovendo essere inseriti nei previsti alloggiamenti dei piccoli satelliti, oltre a garantire risorse di calcolo indipendenti a basso consumo per evitare un carico computazionale a spese dell¿unità centrale del satellite. La progettazione di antenne distribuite lascia margini di applicabilità, in quanto il singolo elemento costituente il vector array è in grado di misurare contemporaneamente entrambi i campi elettrico e magnetico. La riduzione degli elementi, rende più compatto il sensore DOA, garantendo la sua implementazione anche alle frequenze più basse. Nondimeno occorre approfondire ancora diversi aspetti del progetto, alla ricerca di soluzioni alternative, nei termini di:
a) materiali da utilizzare nella costruzione del sensore, valutando anche la robustezza alle radiazioni di particelle ionizzanti, quale la dose assorbita, TID (Total Ionizing Dose), e l¿effetto risultante da eventi singoli, SEE (Single Event Effects), SEU (Single Event Upset) e SEL (Single event Latchup);
b) disegno specifico dell'elemento base del vector array, pensato montato sulla piattaforma satellitare;
c) configurazione dell'array compatibile con gli alloggiamenti disponibili.
Il gruppo di ricerca, continuando gli studi di settore avviati negli ultimi anni [2], pensa di poter migliorare gli algoritmi di rilevazione DOA avendo come obbiettivo primari la riduzione dell¿errore, valutato mediante stima del RMS del rapporto segnale/rumore (SNR) e una maggiore adattabilità funzionale (banda operativa, requisiti di installazione, ecc.).
Per quanto concerne il sensore Stars Tracker, dal punto di vista più prettamente scientifico, le soluzioni di progetto che mantengono risoluzioni (pixel/grado) sotto il decimo di grado, rappresenterebbero un traguardo accettabile. Un altro aspetto per il quale verranno spese energie alla ricerca di soluzioni innovative è quello della implementazione di algoritmi con ridotta richiesta di risorse di calcolo, data la limitata disponibilità nei piccoli satelliti, con il contemporaneo soddisfacimento dei requisiti di precisione, affidabilità e velocità di elaborazione, contestualmente alle caratteristiche dinamiche e ambientali dell¿operatività nello Spazio, insieme all'ottimizzazione dei dati di misura provenienti dalle due unità costituenti: sistema di acquisizione immagini e giroscopio MEMS 3D [3].
[1] A. S. Konanur, K. Gosalia, S. H. Krishnamurthy, B. Hughes, and G. Lazzi, "Increasing Wireless Channel Capacity Through MIMO Systems Employing Co-Located Antennas," IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, vol. 53, N. 6, pp. 1837-1844, 2005.
[2] M. Muzi, N. Tedeschi, L. Scorrano, V. Ferrara, F. Frezza, "Single-snapshot time-domain direction of arrival estimation under bayesian group-sparse hypothesis and vector sensor antennas, " ACES Journal, 33(8), 2018, 822-827
[3] F. Bernardini, V. Ferrara, E. Palombo, S. Scutti. "Sensore di assetto per nano e micro satelliti", Primo Workshop Nazionale su, " La Componentistica Nazionale per lo Spazio: Stato dell'arte, Sviluppi e Prospettive", Agenzia Spaziale Italiana (ASI), Roma, 2016.