Space and astronautical engineering - Ingegneria spaziale e astronautica

1. Missioni spaziali: una panoramica - Principali categorie di missioni - Lander, rover, sonde atmosferiche e aerobot - Missioni per l'esplorazione planetaria: veicoli spaziali per fly-by e orbiter - Fondamenti di ingegneria dei sistemi spaziali. Fasi di una missione spaziale e principali tappe fondamentali (review). 2. Sistemi dinamici e determinazione dell'orbita: - Concetti introduttivi - Linearizzazione delle equazioni del moto ed equazioni di osservazione - La soluzione ai minimi quadrati - Equazioni della dinamica linearizzata: matrice di transizione di stato, proprietà ed esempi (traiettorie free return dalla Luna) - Significatività statistica della soluzione dei minimi quadrati: matrice di covarianza e sua propagazione - Soluzioni ai minimi quadrati pesati - Soluzione ai minimi quadrati con informazione a priori - Informazioni a priori come osservazioni aggiuntive. Stimatore a varianza minima. Stimatore a minima varianza con informazione a priori. - Stima sequenziale: filtro di Kalman e filtro di Kalman esteso. - Confronto tra stima batch e sequenziale. - Il problema del fly-by e l'ellissoide di incertezza - Metodi square root. Trasformazione di Householder. Filtro SRIF. 3. Determinazione e controllo d’assetto: - L'algoritmo TRIAD - Il problema Wahba. L’algoritmo QUEST - Stelle e tipi stellari - Sensori stellari, sensori terrestri, sensori solari - Giroscopi a fibra ottica, giroscopi a risonatore emisferico - Modello d'errore di Farrenkopf - Errori d’assetto: APE, AME, RPE - Richiami sui quaternioni e sulle loro proprietà - Controllo d’assetto: introduzione - Le equazioni di Eulero linearizzate e la stabilizzazione del gradiente di gravità. Il caso di un cavo spaziale - Analisi di un sistema LTI con trasformata di Laplace. - Controllo bang-bang di un asse e controllo PID di un veicolo spaziale sottoposto a disturbi impulsivi e costanti - Controllo PD di un asse - Manovre di desaturazione delle ruote. Analisi dello stato spaziale di un satellite triassiale in orbita circolare - Stabilità del satellite triassiale: analisi del dominio di Laplace - Dinamica del beccheggio di un satellite triassiale in orbita terrestre sottoposto a coppia esterna costante - Dinamica di un satellite triassiale sottoposto a gradiente di gravità e disturbi costanti negli assi di rollio e imbardata - Controllo dell'assetto con magneto-torquers. Controllo del passo di un satellite in orbita circolare. - Sistema di controllo completo RWA - Caso di studio: controllo dell'assetto di Cassini durante il fly-by di Encelado 4. Osservabili per la determinazione dell'orbita e sistemi radiometrici: - Introduzione alle telecomunicazioni spaziali, antenne paraboliche (fuoco primario, Cassegrain). Un modello semplice per il guadagno dell'antenna. Link budget. - Demodulazione coerente: una semplice esercitazione in Matlab. Bit rate e bit error rate. - Antenne beam-waveguide. Architettura e funzioni di una stazione di terra. - Modello matematico del segnale del veicolo spaziale. Tracciamento del segnale tramite PLL. Misurazioni Doppler. Misure di distanza e angolari 5. Tempo, orologi e sistemi di riferimento: - Scale temporali e relatività della simultaneità, concetti di relatività ristretta, metrica di Schwarzschild. - Definizione dinamica e cinematica dei sistemi di riferimento: WGS84 e ITRF 6. Relatività e sistemi di navigazione satellitare globale: - Principi di base dei Global Navigation Satellite Systems (GNSS). - Tempo, relatività e GNSS

E' necessaria la conoscenza delle equazioni che governano la dinamica d'assetto di una piattaforma spaziale. La conoscenza dei concetti forniti nei corsi di Meccanica del volo spaziale e Control Systems è altamente raccomandata.

Tapley, Schutz, Born: Statistical Orbit Determination, Elsevier (2004) Sidi: Spacecraft Dynamics and Control, Cambridge (1997) Trasparenze e materiale aggiuntivo verranno distribuiti durante il corso attraverso il sito web del docente (http://radioscience.dima.uniroma1.it).

Il corso comprende otto ore di lezione frontale alla settimana. Le esercitazioni, comprese nelle otto ore settimanali, comprendono la soluzione di problemi di determinazione orbitale e di controllo d'assetto mediante l'uso di codici numerici. Durante il corso verranno proposti due o tre problemi che gli studenti potranno risolvere a casa nell'arco di quattro o cinque giorni mediante la scrittura di un semplice codice numerico, in un qualsiasi linguaggio di programmazione (incluso Matlab). La loro soluzione non è obbligatoria, ma è altamente raccomandata per il suo valore didattico. Gli studenti che superano almeno due prove non dovranno effettuare il test a risposta multipla prima dell'esame (vedi sezione "Valutazione"). Verrà anche proposta una gara, consistente nella soluzione di un problema da affrontare con le stesse modalità delle prove in itinere di cui sopra. I vincitori potranno aumentare il voto d'esame fino a tre punti.

Il docente si attende che lo studente frequenti regolarmente le lezioni

La valutazione e' composta da 2-3 prove in itinere da svolgere a casa (opzionali), una prova a risposta multipla (in alcuni casi - vedi sotto) e un esame orale. Per gli studenti che hanno superato le prove in itinere, l'esame consiste in un colloquio di circa 30 minuti. Per gli altri studenti, la prova orale consiste in un esame approfondito su tutto il programma di durata variabile. Il giorno dell'orale, tutti gli studenti che NON abbiano svolto con successo almeno due prove in itinere dovranno superare preliminarmente una prova a risposta multipla, della durata 20 minuti, composta da 15 domande. A ciascuno studente verra' notificato al momento l'esito della prova ed il massimo voto raggiungibile all'esame. Gli studenti potranno quindi decidere se presentarsi o meno all'orale. Per dettagli sul raggiungimento della soglia e del voto massimo, si veda il sito web del docente: http://radioscience.dima.uniroma1.it/docenti/index.php?lan=en

Il corso comprende otto ore di lezione frontale alla settimana. Le esercitazioni, comprese nelle otto ore settimanali, comprendono la soluzione di problemi di determinazione orbitale e di controllo d'assetto mediante l'uso di codici numerici. Durante il corso verranno proposti due o tre problemi che gli studenti potranno risolvere a casa nell'arco di quattro o cinque giorni mediante la scrittura di un semplice codice numerico, in un qualsiasi linguaggio di programmazione (incluso Matlab). La loro soluzione non è obbligatoria, ma è altamente raccomandata per il suo valore didattico. Gli studenti che superano almeno due prove non dovranno effettuare il test a risposta multipla prima dell'esame (vedi sezione "Valutazione"). Verrà anche proposta una gara, consistente nella soluzione di un problema da affrontare con le stesse modalità delle prove in itinere di cui sopra. I vincitori potranno aumentare il voto d'esame fino a tre punti.