Model predictive control for orbit and coupled attitude-orbit spacecraft rendezvous

The main goals of this thesis are the development and implementation of model predictive control strategies for spacecraft rendezvous operations. In particular, the primary focus is placed upon space debris removal missions. These represent a topic of increasing in- terest and urgency in the space research community, since the growing quantity of debris constitutes an impending danger for many operational spacecrafts. An additional motivation is found in the increasing need of ensuring the autonomy of spacecraft maneuvering, meaning the capability of on-board computers to calculate by themselves their control plan. This requirement is due to the difficult task of manually commanding spacecraft for ground operators, considering the always rising number of satellites in Earth orbits and in the Solar System. After a literature study on the physical models adapt to describe the rendezvous scenario, including also considerations on the spacecraft attitude dynamics, this thesis identifies model predictive control (MPC) as a suitable control strategy for the problem at hand. The main features of MPC are therefore presented and discussed, introducing also the alternative formulation of MPC for tracking, which brings extra advantages with respect to the standard method. Afterwards, both methods are implemented exploiting Matlab, and they are applied to different rendezvous scenarios for a considered lightweight chaser satellite. The two main situations consist of an orbital rendezvous (where the only degrees of freedom of the prob- lem are the three spatial directions) and a coupled orbital-attitude rendezvous, studied in a simplified in-plane scenario (the degrees of freedom are two directions and one rotation). Simulations are carried out exploiting appropriate continuous-time models of the system, keeping account of possible perturbations, and the obtained outcomes are discussed, draw- ing conclusions and proposing possible future developments starting from the achieved results.

Gli obiettivi principali di questa tesi consistono nello sviluppo e nell’implementazione di strategie di controllo predittivo per operazioni di rendezvous satellitare. In particolare, l’attenzione è rivolta verso missioni di rimozione di detriti spaziali. Queste rappresentano un argomento di crescente interesse nella comunità di ricerca spaziale, dato che la quan- tità di detriti, in costante aumento, costituisce un pericolo incombente per molti satelliti operativi. Una motivazione aggiuntiva è data dal crescente bisogno di rendere autonome le manovre satellitari, ovvero assicurare che il computer di bordo possa determinare da solo il controllo da applicare. Questa necessità sorge dal difficile compito di comandare manualmente i satelliti per gli operatori a terra, dato il sempre più alto numero di satelliti presenti in orbite terrestri e nel Sistema Solare. Dopo uno studio sulla letteratura riguardo i modelli fisici adatti a descrivere lo scenario di rendezvous, includendo anche considerazioni sulla dinamica di assetto del satellite, questa tesi identifica nel controllo predittivo (MPC) una strategia adatta per trattare il problema in questione. Le principali caratteristiche del MPC sono quindi presentate e discusse, in- troducendo inoltre la formulazione alternativa data dal MPC for tracking, che comporta vantaggi aggiuntivi rispetto al metodo standard. In seguito, entrambi i metodi sono implementati tramite Matlab, e sono applicati a differ- enti scenari di rendezvous per un satellite leggero. Le due situazioni principali consistono in un rendezvous orbitale (dove gli unici gradi di libertà del problema sono le tre direzioni spaziali) ed un rendezvous che tiene conto dell’accopiamento della dinamica orbitale con quella di assetto, studiato in uno scenario planare semplificato (i gradi di libertà sono due direzioni ed una rotazione). Le simulazioni sono eseguite tramite appropriati modelli a tempo continuo del sistema, tenendo conto di possibili perturbazioni, e gli esiti ottenuti sono discussi, traendo conclu- sioni e proponendo possibili sviluppi futuri a partire dai risultati raggiunti.