Reduced-attitude control of a spacecraft using a single variable speed control moment gyro

A Variable Speed Control Moment Gyro (VSCMG) is a novel actuator for spacecraft attitude control and represents the future of current momentum exchange devices. The purpose of this thesis is to extend the current knowledge about this actuator, developing new and more general control laws that can be used in a wider range of applications and missions. The proposed concept consists of a spacecraft with a single VSCMG for attitude control: this particular actuator design is proposed for the purpose of high-manoeuvrability with a minimal actuator configuration. The system under investigation is under-actuated and the full-attitude cannot be controlled. Based on this consideration, a reduced-attitude representation is proposed and exploited to control the spacecraft for pointing the bore-sight. This thesis develops, for the first time, completely new, non-singular and nonlinear control laws able to re-point at discrete intervals or track a pointing reference continuously. The asymptotic stability of the system, in the different operative modes, is proved using Lyapunov stability theory. The controls are demonstrated with numerical simulations and then further validated with an application to a 12U CubeSat rendezvous utilizing a single throttable electric thruster.

Il "Variable Speed Control Moment Gyro" (VSCMG) è un attuatore di nuova generazione per il controllo dell'assetto di satelliti e rappresenta il futuro degli attuali "momentum exchange devices". Lo scopo di questa tesi è di estendere l'attuale conoscenza riguardo questo tipo di attuatore, sviluppando nuove e più all'avanguardia leggi di controllo che possano essere largamente utilizzate in diverse missioni in ambito spaziale. Il concetto proposto in questa tesi consiste in un satellite su cui è installato un solo VSCMG per il controllo dell'assetto: questa particulare configurazione è proposta con lo scopo di raggiungere alta manovrabilità in una configurazione dove si è provvisti con il minimo numero di attuatori, in questo caso uno. Il sistema dinamico proposto è sotto attuato e, per questa ragione, la sua dinamica e il suo assetto non sono pienamente controllabili. Su questa base, una rappresentazione ridotta dell'assetto viene proposta, dove solamente il controllo di un asse è considerato sufficiente. Questo requisito è sufficiente in molte applicazioni pratiche dove, per esempio, si necessita di puntare una videocamera o un'antenna verso una direzione di interesse. In questa tesi si sviluppano, per la prima volta, leggi di controllo che non presentano singolarità di rappresentazione, applicabili al modello dinamico pienamente non lineare, che permettono di controllare un asse del satellite in modo da effettuare successivi ripuntamenti verso direzioni di riferimento, ad intervalli di tempo discreti, o di seguire, in modo continuo nel tempo, un riferimento che si sta muovendo, per esempio un altro satellite su di un'orbita diversa. La stabilità asintotica del sistema, in diverse fasi operative, è dimostrata usando la teoria della stabilità di Lyapunov, in particolare il "metodo diretto di Lyapunov". Le leggi di controllo proposte vengono poi dimostrate tramite simulazioni numeriche, validando con successo la teoria. Infine, per mostrare la vera efficacia dei modelli, viene proposto e simulato un problema di rendezvous in cui un 12U CubeSat, provvisto solo di un propulsore fisso al corpo del satellite ed un VSCMG per "thrust-vectoring", deve essere portato in corrispondenza di un altro satellite su un'orbita vicina.