Development and integration of sun sensors pyramidal arrays on PROMETHEUS-1 for attitude determination

Abstract

PocketQubes suffer from limited functionality due to volume constraints, which also impact accuracy and redundancy in satellite systems, such as the Attitude Determination and Control System (ADCS). This dissertation addresses the development, integration, and validation of a novel Coarse Sun Sensor Pyramidal Array (CSSPA) designed for the PROMETHEUS-1 PocketQube. A flexible, low-cost, and miniaturised circuit leveraging Commercial Off-The-Shelf (COTS) components was proposed to enhance Sun vector observability without compromising performance, manufacturability, and compatibility with the current satellite architecture. The methodology followed an iterative strategy, starting with a proof-of-concept to validate geometric and functional principles, progressing to an advanced prototype with optimised topology and manufacturing, and culminating in a final, miniaturised, flight-ready prototype for integration. A comprehensive validation was conducted by assessing the Sun vector determination across the entire Field-Of-View (FOV) of the sensor in laboratory settings after following a complete calibration framework for Sun sensors. In parallel, software simulations analysed attitude estimation using a Multiplicative Extended Kalman Filter (MEKF), following orbital dynamics, Space environment and hardware sensors models. Results showed a CSSPA accuracy of 1.61º (4.13º 3𝜎) in the Sun vector problem, and a FOV of 5 st ( 170x170º). Resilient attitude estimation was achieved, with an accuracy of 0.95º (2.39º 3𝜎) and filter convergence under 600 s, in both nominal and extreme dynamic and noise conditions. Key contributions include the design of this state-of-the-art CSSPA system tailored to nanosatellite constraints, as well as the creation of a reusable simulation framework for ADCS validation on the PROMETHEUS satellite platform. This research further strengthens the capability and viability of the PocketQube standard.

PocketQubes têm funcionalidade limitada devido a restrições de volume, afetando a exatidão e redundância de certos sistemas, como o de Determinação e Controlo de Atitude (SDCA). Esta dissertação aborda o desenvolvimento, integração e validação de um inovador vetor piramidal de sensores solares concebido para o PocketQube PROMETHEUS-1. Foi proposto um circuito flexível, de baixo custo e miniaturizado, utilizando componentes comerciais de uso genérico para melhorar a observabilidade do vetor solar sem comprometer o desempenho, capacidade de fabrico e compatibilidade com a arquitetura do satélite. A metodologia seguiu uma estratégia iterativa, começando com uma prova de conceito para validar os princípios geométricos e funcionais, progredindo para um protótipo avançado com topologia e fabrico optimizados, e culminando num protótipo final miniaturizado pronto para voo. Foi efetuada uma avaliação exaustiva da determinação do vetor solar em todo o campo de visão do sensor, em ambiente laboratorial, após seguido um procedimento de calibração completo para sensores solares. Em paralelo, simulações de software analisaram a estimativa de atitude utilizando um filtro de Kalman extendido multiplicativo, com modelos de dinâmica orbital, ambiente espacial e sensores físicos. Os resultados do sensor mostraram uma exatidão de 1.61º (4.13º 3𝜎) no problema do vetor solar, e um campo de visão de 5 st ( 170x170º). A estimativa de atitude foi resiliente, com uma exatidão de 0.95º (2.39º 3𝜎) e convergência do filtro em 600 s, tanto em condições dinâmicas e de ruído nominais como extremas. As principais contribuições incluem a conceção de um sistema de vetores solares de última geração adaptado às restrições dos nanosatélites, bem como a criação de uma ferramenta de simulação reutilizável para validação do SDCA na plataforma de satélites PROMETHEUS. Esta investigação reforça a capacidade e a viabilidade dos PocketQubes.