Search, implementation and testing of adaptive methods for spacecraft's attitude control under actuator faults

The evolution of the space sector towards smaller and cheaper spacecrafts, combined with the increase in usage of Commercial of the Shelf components, has given rise to new typologies of failures in the spacecraft’s Attitude Control System. There is a need to develop fault-tolerant attitude control techniques to counteract the increase in failure probability that comes with the reduction of the component’s costs. Nowadays, a series of innovative techniques are being proposed with the potential of outperforming the classical techniques used to deal with these failures. The purpose of the thesis is to investigate one or two innovative techniques and select the most promising methods from sources in the literature. After that, the objective is to test them onto two baselines to determine their applicability and potential to be used in real-world applications. In the thesis, a literature review is presented on the Adaptive control and Model identification techniques. Four adaptive methods are selected among the sources, of which three are successfully implemented. They are tested onto the LUMIO CubeSat baseline and the AGILE mission baseline, which are both cases of spacecrafts controlled with four reaction wheels. Three scenarios are implemented: slew manoeuvre, detumbling, and long-term pointing. The adaptive methods show better behaviour than the original controller (when available for comparison) and they are fault-tolerant, displaying some mission-saving characteristics.

L'evoluzione del settore spaziale verso satelliti più piccole e più economiche, insieme all'aumento dell'utilizzo di componenti commerciali e da scaffale, ha provocato la crescita di nuove tipologie di rotture nel sistema di controllo d'assetto delle navicelle. Esiste la necessità di sviluppare tecniche di controllo d'assetto resistenti al guasto per contrastare l'aumento della probabilità di rottura che sopraggiunge con la riduzione dei costi dei componenti. Al giorno d'oggi, vengono proposte una serie di tecniche innovative con il potenziale di superare le classiche tecniche impiegate per gestire queste rotture. Lo scopo della tesi è di investigare una o due tecnologie innovative e di selezionare i metodi più promettenti da fonti della letteratura. Successivamente, l'obiettivo è di testarli su due baselines per determinare la loro applicabilità e potenziale per poterli usare in applicazioni del mondo reale. Nella tesi, è presentata una revisione della letteratura sul Controllo Adattivo e sulle tecniche di Identificazione del Modello. Quattro metodi adattivi sono selezionati tra le fonti, dei quali tre sono implementati con successo. Essi sono testati sulla baseline del CubeSat LUMIO e la baseline della missione AGILE, che sono entrambi casi di satelliti controllate con quattro ruote di reazione. Sono implementati tre scenari: manovra di slew, detumbling e puntamento a lungo termine. I metodi adattivi mostrano un comportamento migliore del controllore originario (quando disponibile per un confronto) e sono resistenti al guasto, mostrando alcune caratteristiche che salvano la missione.