Technologies for a miniature LEO satellites telecommunication network

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.