Optimal guidance strategy for active debris removal of a tumbling object

Space debris is becoming a severe issue threatening space activity and the space community is developing new technologies and methodologies to efficiently face the problem through missions of active debris removal. However the status of every singles debris requires an ad hoc solution: depending on size, mass and rotational states, several safety criteria must be introduced to avoid collision during the rendezvous phase of a removal mission. These issues are addressed in this thesis. Starting from data from several databases, the first statistical part presents a general overview of the orbital collocation of debris, relating the orbital parameters to their attitude status. Then Envisat is chosen as the representative of this mission class. This work develops an optimal open-loop guidance trajectory for a safe synchronization with uncooperative tumbling debris based on an impulsive scheme aimed to reduce fuel consumption using quadratic criteria. To test the feasibility of the guidance strategy and exploit efficiency, several preliminary simulations are performed to validate the control followed by Monte Carlo simulations aimed to find what configuration of initial conditions and time needed to perform the manoeuvre provide the cheapest synchronisation.

I detriti spaziali stanno diventando un grave problema che minaccia l'attività spaziale e la comunità spaziale sta sviluppando nuove tecnologie e metodologie per affrontare in modo efficiente il problema attraverso missioni di rimozione attiva dei detriti. Tuttavia lo stato di ogni singolo detriti richiede una soluzione ad hoc: a seconda delle dimensioni, della massa e degli stati di rotazione, devono essere introdotti diversi criteri di sicurezza per evitare collisioni durante la fase di rendez-vous di una missione di rimozione. Questi problemi sono affrontati in questa tesi. Partendo dai dati provenienti da diversi database, la prima parte statistica presenta una panoramica generale della collocazione orbitale dei detriti, mettendo in relazione i parametri orbitali con il loro stato di assetto. Quindi Envisat viene scelto come rappresentante di questa classe di missione. Questo lavoro sviluppa una traiettoria di guida ottimale ad anello aperto per una sincronizzazione sicura con detriti rotanti non cooperativi basata su uno schema impulsivo volto a ridurre il consumo di carburante utilizzando criteri quadratici. Per testare la fattibilità della strategia di guida e sfruttarne l'efficienza, vengono eseguite diverse simulazioni preliminari per convalidare il controllo, seguite da simulazioni Monte Carlo volte a trovare quale configurazione delle condizioni iniziali e del tempo necessario per eseguire la manovra fornisca la sincronizzazione più economica.