Guidance navigation control and robotics for on orbit servicing

A revolution is bound to happen in space in the near future as focus is shifting on colonization and commercialization of the Earth sphere and beyond. The Revolution takes the name of On Orbit Servicing (OOS) and is an old concept revived by the new spur of commercial endeavours in the space industry. Research on related topics like economics, liability, property rights, international cooperation and of course engineering is catching up again. Technical issues in OOS are not show-stoppers but can hinder the growth of the sector incredibly. Reliability, safety and costs of proximity operations are central in the development of OOS and the key aspects are related to robotics and GNC. In this thesis all topics related to Guidance Navigation Control & Robotics (GNCR) are covered simultaneously as disjoint analysis might prove to be inadequate to guarantee the proper synthesis of the control systems. Special focus is given to closed loop performance with camera images in the loop through high fidelity simulations of relevant OOS scenarios. Moreover, an adaptive control for both attitude and robotics operations is developed in order to track the desired performances under uncertain or time varying parameters like geometry or masses. Finally, after closed loop simulations of the proposed GNCR subsystem verify the expected performance, simple guidelines for future OOS mission are presented.

Una rivoluzione è destinata a scatenarsi nello spazio nel prossimo future mentre l’attenzione si va spostando su colonizzazione e commercializzazione della sfera terrestre e oltre. Questa rivoluzione prende il nome di “On Orbit Servicing” (OOS) ed è un vecchio concetto rivisitato grazie alla comparsa di compagnie private nell’industria spaziale. La ricerca su aspetti economici, legali, di cooperazione internazionale e ovviamente di ingegneria stanno prendendo piede. I problemi tecnici nel OOS non sono critici ma possono rallentare la crescita del settore incredibilmente. Affidabilità, sicurezza e costo delle operazioni di prossimità sono aspetti centrali nello sviluppo del OOS gli aspetti chiave sono collegati a Guida, Navigazione, Controllo e Robotica (GNCR). In questa tesi tutti gli argomenti correlati al GNCR vengono trattati simultaneamente poiché analisi disgiunte risulterebbero inadeguate a garantire una soddisfacente sintesi del sistema di controllo. Particolare attenzione viene data alle prestazioni in anello chiuso con immagini inseriti nel ciclo di controllo attraverso simulazioni altamente fedeli di scenari di OOS rilevanti. Oltretutto, un controllore adattivo per assetto e robotica viene sviluppato per permettere un inseguimento delle prestazioni volute nonostante incertezze o parametri tempo varianti come masse e geometrie. In chiusura vengono presentate, dopo aver determinato le prestazioni del sistema di GNCR proposto attraverso simulazioni, semplici linee guida per future missioni di OOS.