Libration point orbit station-keeping : control strategies for improved scientific mission time

The scientific interest in the exploitation of Lagrangian points orbits has increased in the last decades. The requirement of precise station-keeping for the unstable motion of Halo orbits has brought many control techniques. In addition, the use of Cubesats has the potential to reduced mission cost. The primary task of a space mission is subject to its scientific requirements, which are not generally considered by the classical control schemes. For example, optimal controls typically aim to minimize fuel and tracking error, it may also be desirable to maximise the time at which science can be undertaken. Moreover, during station-keeping maneuvers it may not be possible to perform the science, since the thrust-vectoring required may be in a different direction to the payload pointing requirement. This thesis presents the development of controls that are able to combine stable station-keeping and maximize the time where no control is required. The Elliptical Restricted 3-Body Problem and a simple Linear Quadratic Regulator are introduced, capable of providing continuous control. This classic control algorithm is augmented to include impulsive control, coupled with different strategies. The performance of these strategies is analysed with respect to delta-V, tracking error and time for science.

L'interesse scientifico nell’esplorazione delle orbite nei punti di Lagrange è aumentato nelle ultime decadi. La richiesta per un preciso stazionamento nel moto instabile delle orbite Halo ha portato diverse tecniche di controllo. Inoltre, l’uso di Cubesat ha il potenziale di un ridotto costo per le missioni. L’obiettivo principale di una missione spaziale è subordinato ai suoi requisiti scientifici, che non sono generalmente considerati dai classici schemi di controllo. Per esempio, un controllo ottimale punta tipicamente a minimizzare carburante ed errori di tracciamento, potrebbe anche essere desiderata una massimizzazione del tempo in cui produrre scienza. Inoltre, durante le manovre di stazionamento, questo potrebbe non essere possibile, poiché l’assetto richiesto per tale manovra potrebbe non coincidere con l’attitudine richiesta dal carico scientifico. Questa tesi presenta lo sviluppo di controlli che sono capaci di combinare uno stabile stazionamento e la massimizzazione del tempo in cui è necessario un controllo. Sono introdotti il problema dei tre corpi, ristretto, ellittico e un semplice regolatore quadratico lineare, capace di ottenere un controllo continuo. Questo classico algoritmo di controllo è migliorato grazie all’inclusione di un controllo impulsivo, accoppiato con differenti strategie. Le performance di queste strategie sono analizzate rispetto al delta-v, errore di posizionamento e tempo per la scienza.