Design of sliding mode control techniques for rendezvous orbital maneuvers

Rendezvous and docking is a key operational technology required for various types of missions in present age of space travel. The rendezvous process for two spacecrafts is comprised of a series of orbital maneuvers and controlled trajectories, which will successfully bring the chaser spacecraft into a close vicinity of the target spacecraft, and eventually dock with it. The objective of this thesis was development of a 6-degree of freedom simulator to simulate the rendezvous phase of a spacecraft to a target vehicle. The simulator is based on a sliding mode control algorithm to control the arbitrary attitude and position of the chaser spacecraft and bring it to its final docking position with the target spacecraft, having specified position and velocity values. A 1st order sliding mode controller has been implemented for the control of position and velocity vectors, while, three 2nd order sliding mode controllers were implemented for the attitude control. The results have been presented in this thesis running the simulations in Matlab/Simulink environment. Overall, the higher order sliding mode controller was expected to produce a better performance, and, it delivered to its expectations.

Rendezvous e docking è una tecnologia operativa chiave necessaria per vari tipi di missioni nell'era attuale di esplorazione spaziale. Il processo di avvicinamento per due veicoli spaziali è costituito da una serie di manovre orbitali e traiettorie controllate, che porteranno con successo il veicolo chaser sufficientemente vicino al veicolo target e infine consolidare la connessione tra i due veicoli. L'obiettivo di questa tesi è lo sviluppo di un simulatore di 6 gradi di libertà per simulare la fase di avvicinamento del chaser rispetto al target. Il simulatore si basa su un algoritmo di controllo sliding mode per controllare l'assetto e la posizione del veicolo chaser e portarla alla sua posizione finale di docking con il veicolo target, nota l'orbita di quest'ultimo. Per il controllo dei vettori di posizione e velocità è stato implementato un controllore sliding mode di primo ordine, mentre per il controllo di assetto sono stati implementati tre diverse logiche di controllo sliding mode di secondo ordine. I risultati sono stati presentati in questa tesi eseguendo le simulazioni in ambiente Matlab / Simulink. Come risultato finale, il controllore sliding mode di ordine più elevato è quello da cui ci si aspettano i migliori risultati: il risultato finale ha rispettato queste aspettative.