Earlier large satellites were used for space missions, but as time passed, the payload size decreased along with the overall size of the satellite. Small satellites and CubeSats have many advantages, but sometimes they work better as a group than single handily. Any two or more satellites in space match their plane, altitude, phasing (rendezvous) and are roughly in the same orbit while they perform manoeuvres to affect their relative states, called Rendezvous Proximity Operations (RPO). Some of the current applications are on-orbit servicing, assembly, refuelling, inter-vehicle crew transfer, debris removal, mission life extension, and high-altitude intelligence-gathering. Addressing relative states, they are the key parameters that affect RPO, hence relative dynamics are studied to execute Proximity Operations. Hills-Clohessy-Wiltshire (HCW) first described the relative dynamics, and many scientists progressively modified the CW equations. In this study, a simplified model, Clohessy-Wiltshire dynamics, is used, coupled with relative attitude dynamics. The system is represented in the state space form, and they are augmented in order to find an optimal control for the coupled dynamic system. Optimal control provides an alternative design strategy by which all the control design parameters can be determined even for multi-input, multi-output systems. These merits of optimal control provide an efficient method to compute the gains of the state feedback controller. One such optimal control is the State-Dependent Riccati Equation which is used in this study. SDRE has shown to be highly beneficial in the design of regulators, where a steady-state must be maintained and n the tracking of control methods, where some predetermined state trajectory is to be followed. The coupled dynamics is a time-varying state-space system controlled by a continuous SDRE controller. It is a model-based work applied to some missions that are taking place in real-time, for validation purposes. The acquired results correspond to the objectives set by the simulation model. The relative states are controlled to reach the desired final states.

Oggi i piccoli satelliti sono ampiamente utilizzati rispetto a quelli grandi per via dei numerosi vantaggi, ma a volte è più efficiente avere satelliti che lavorano in gruppo. Quando due o più satelliti nello spazio presentano una corrispondenza nel piano, nell’altitudine e nella fase (rendezvous) e inoltre sono approssimativamente sulla stessa orbita, si possono eseguire manovre per influenzare i loro stati relativi, chiamate Rendezvous Proximity Operations (RPO). Alcune delle applicazioni attuali sono la manutenzione in orbita, l'assemblaggio, il rifornimento di carburante, il trasferimento dell'equipaggio tra i veicoli, la rimozione dei detriti, l'estensione della vita della missione e la raccolta di informazioni ad alta quota. Per quanto riguarda gli stati relativi, essi sono i parametri chiave che influenzano l'RPO, quindi le dinamiche relative sono studiate per eseguire queste specifiche operazioni. Hills-Clohessy-Wiltshire (HCW) descrisse per la prima volta tali dinamiche relative, e molti scienziati modificarono progressivamente le equazioni CW. In questo studio, viene utilizzato un modello semplificato, noto come “dinamica Clohessy-Wiltshire”, accoppiato con le dinamiche relative di comportamento. Il sistema è rappresentato nella forma dello spazio degli stati e gli stati sono aumentati per trovare un controllo ottimale per il sistema dinamico accoppiato. Il controllo ottimale fornisce un metodo efficiente per calcolare i guadagni del controller di feedback di stato mediante il quale è possibile determinare tutti i parametri di progettazione del controllo anche per i sistemi multi-ingresso e multi-uscita. Uno di questi controlli ottimali è l'SDRE , che si è dimostrato estremamente vantaggioso nella progettazione di regolatori, dove è necessario mantenere uno stato stazionario per seguire una traiettoria di stato predeterminata. stato variabile nel tempo controllato da un controller SDRE continuo. È un lavoro basato su modelli applicato alla missione che si sta svolgendo in tempo reale, a scopo di convalida. I risultati acquisiti corrispondono agli obiettivi fissati dal modello di simulazione e i relativi stati vengono controllati per raggiungere gli stati finali desiderati.

Optimal guidance of proximity operation using coupled dynamics and continuous SDRE control

VEERANNA ROOPASHREE, APEKSHA
2020/2021

Abstract

Earlier large satellites were used for space missions, but as time passed, the payload size decreased along with the overall size of the satellite. Small satellites and CubeSats have many advantages, but sometimes they work better as a group than single handily. Any two or more satellites in space match their plane, altitude, phasing (rendezvous) and are roughly in the same orbit while they perform manoeuvres to affect their relative states, called Rendezvous Proximity Operations (RPO). Some of the current applications are on-orbit servicing, assembly, refuelling, inter-vehicle crew transfer, debris removal, mission life extension, and high-altitude intelligence-gathering. Addressing relative states, they are the key parameters that affect RPO, hence relative dynamics are studied to execute Proximity Operations. Hills-Clohessy-Wiltshire (HCW) first described the relative dynamics, and many scientists progressively modified the CW equations. In this study, a simplified model, Clohessy-Wiltshire dynamics, is used, coupled with relative attitude dynamics. The system is represented in the state space form, and they are augmented in order to find an optimal control for the coupled dynamic system. Optimal control provides an alternative design strategy by which all the control design parameters can be determined even for multi-input, multi-output systems. These merits of optimal control provide an efficient method to compute the gains of the state feedback controller. One such optimal control is the State-Dependent Riccati Equation which is used in this study. SDRE has shown to be highly beneficial in the design of regulators, where a steady-state must be maintained and n the tracking of control methods, where some predetermined state trajectory is to be followed. The coupled dynamics is a time-varying state-space system controlled by a continuous SDRE controller. It is a model-based work applied to some missions that are taking place in real-time, for validation purposes. The acquired results correspond to the objectives set by the simulation model. The relative states are controlled to reach the desired final states.
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
7-ott-2021
2020/2021
Oggi i piccoli satelliti sono ampiamente utilizzati rispetto a quelli grandi per via dei numerosi vantaggi, ma a volte è più efficiente avere satelliti che lavorano in gruppo. Quando due o più satelliti nello spazio presentano una corrispondenza nel piano, nell’altitudine e nella fase (rendezvous) e inoltre sono approssimativamente sulla stessa orbita, si possono eseguire manovre per influenzare i loro stati relativi, chiamate Rendezvous Proximity Operations (RPO). Alcune delle applicazioni attuali sono la manutenzione in orbita, l'assemblaggio, il rifornimento di carburante, il trasferimento dell'equipaggio tra i veicoli, la rimozione dei detriti, l'estensione della vita della missione e la raccolta di informazioni ad alta quota. Per quanto riguarda gli stati relativi, essi sono i parametri chiave che influenzano l'RPO, quindi le dinamiche relative sono studiate per eseguire queste specifiche operazioni. Hills-Clohessy-Wiltshire (HCW) descrisse per la prima volta tali dinamiche relative, e molti scienziati modificarono progressivamente le equazioni CW. In questo studio, viene utilizzato un modello semplificato, noto come “dinamica Clohessy-Wiltshire”, accoppiato con le dinamiche relative di comportamento. Il sistema è rappresentato nella forma dello spazio degli stati e gli stati sono aumentati per trovare un controllo ottimale per il sistema dinamico accoppiato. Il controllo ottimale fornisce un metodo efficiente per calcolare i guadagni del controller di feedback di stato mediante il quale è possibile determinare tutti i parametri di progettazione del controllo anche per i sistemi multi-ingresso e multi-uscita. Uno di questi controlli ottimali è l'SDRE , che si è dimostrato estremamente vantaggioso nella progettazione di regolatori, dove è necessario mantenere uno stato stazionario per seguire una traiettoria di stato predeterminata. stato variabile nel tempo controllato da un controller SDRE continuo. È un lavoro basato su modelli applicato alla missione che si sta svolgendo in tempo reale, a scopo di convalida. I risultati acquisiti corrispondono agli obiettivi fissati dal modello di simulazione e i relativi stati vengono controllati per raggiungere gli stati finali desiderati.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/179716