Fault-tolerant station keeping of Halo orbit in earth-moon system

Spacecraft platform and mission design has conventionally been reliability dominated. Recently there has been a shift in this existing dogma in small spacecraft which can accept more risk but with a significantly reduced pro- duction cost. This means that for spacecraft such as CubeSat's, a higher risk of failure in the missions must be accounted. In this thesis fault-tolerant con- trols for station-keeping applications are developed to mitigate some of these increased risks. In particular, the autonomous station-keeping of CubeSat's in the lagrangian point orbits requires development of a reliable control sys- tems to ensure a rapid, accurate, and effective response to various fault and environmental uncertainties. This thesis presents the development of a fault tolerant control algorithm that can ensure a successful flight of unstable halo orbits in the vicinity of Earth-Moon system. A model of full ephemeris elliptical restricted body problem which ac- curately represents the equations of motion for a CubeSat is developed. A single shooting and continuation procedure are employed to identify periodic solutions that can be exploited for scientific missions to the South pole of the moon for almost continuous coverage of these regions. Traditional methods for station-keeping use proportional type controllers or optimal controllers such as LQR. However, these may not be very effec- tive if the spacecraft experiences an actuator fault. To this end, a control is developed that enhances LQR by using an extended state observer that mea- sures the fault and compensates for it in the control at each sampling period. Furthermore, an extension of such control with sliding surface or adaptive parameter resulted in an efficient station-keeping in case of injection errors, thruster failure, or thruster degradation. The numerical results demonstrate the robustness of proposed control scheme for precise station-keeping in the event of thruster faults due to power loss and eclipses.

Piattaforma di veicoli spaziali e progettazione missione è convenzionalmente state affidabilità dominati. Recentemente ci ha visto un cambiamento in questo dogma esistente nel piccolo veicolo spaziale in grado di accettare più rischio, ma con un costo di produzione notevolmente ridotto. Questo significa che per il veicolo spaziale, come CubeSat di, un più alto rischio di fallimento nelle missioni deve essere contabilizzato. In questa tesi controlli fault-tolerant per applicazioni di stazione di mantenimento sono sviluppate per mitigare alcuni di questi maggiori rischi. In particolare, la stazione autonoma termico delle CubeSat di nelle orbite punto di Lagrange richiede lo sviluppo di un sistema di controllo affidabili per assicurare una risposta rapida, precisa ed efficace per vari guasto e incertezze ambientali. Questa tesi presenta lo sviluppo di un algoritmo di controllo fault-tolerant in grado di garantire un volo di successo del orbita halo instabili in prossimità del sistema Terra-Luna. Un modello di piena effemeride ellittica problema organo ristretto che corrisponde alle equazioni del moto per un CubeSat è sviluppato. UN scatto singolo e procedura di continuazione sono impiegati per identificare soluzioni periodiche che possono essere sfruttate per le missioni scientifiche al polo sud della luna per la copertura quasi continua di queste regioni. I metodi tradizionali per controllori di tipo proporzionale uso stazione di mantenimento o controllori ottimali quali LQR. Tuttavia, questi non possono essere molto efficace se il veicolo spaziale si verifica un errore di attuatore. A tal fine, un controllo viene sviluppato che migliora LQR utilizzando un osservatore di stato esteso che misura il guasto e compensa nel controllo ad ogni periodo di campionamento. Inoltre, l'estensione di tale controllo con superficie di scorrimento o adattativo parametro determinato un efficiente stazione di mantenimento in caso di errori di iniezione, insufficienza prua o degradazione di prua. I risultati numerici dimostrano la robustezza del sistema di controllo proposto per una precisa station-keeping in caso di guasti propulsore a causa della perdita di potenza e eclissi.