Convex Low-Thrust Trajectory Optimization with Operational Constraints

The topic of this thesis is the introduction of operational constraints, such as pointing requirements of scientific or navigation instruments, in autonomous guidance algorithms based on Sequential Convex Programming (SCP). The reference framework is the project EXTREMA, developed by the DART Team at Politecnico di Milano, whose goal is to enable completely stand-alone interplanetary CubeSats. The integration of these constraints is expected to be a significant step towards this achievement. Considering the operational constraints in the optimization process enables the establishment of a link between the guidance and the system architecture of the spacecraft (S/C). In this work, a methodology to exploit this inter-dependency in a preliminary combined optimization of these two aspects is proposed, leading eventually to a solution that is optimal for the guidance and the system architecture. A SCP algorithm has been developed and tested on several case studies, ranging from pointing and de-pointing constraints to the enforcement of no-thrust periods in conjunction conditions. The results obtained show that the possibility to recover operational-compliant trajectories depends on the relationship between the thrust direction and the instrument direction, thus demonstrating that a preliminary combined design of the trajectory and the CubeSat's architecture is possible.

L'argomento di questa tesi è l'introduzione di vincoli operativi, quali i requisiti di puntamento di strumenti scientifici o di navigazione, in algoritmi di guidance autonomi basati su Sequential Convex Programming (SCP). Il contesto di riferimento è il progetto EXTREMA, sviluppato presso il Politecnico di Milano dal team DART, il cui obiettivo consiste nell'abilitazione di CubeSats interplanetari autonomi. L'integrazione di tali vincoli è da considerarsi un passaggio significativo verso questo risultato. La considerazione di vincoli operativi nel processo di ottimizzazione rende possibile stabilire un collegamento tra la guidance e l'architettura di sistema del satellite. In questo lavoro viene proposta una metodologia per lo sfruttamento di tale interdipendenza in una ottimizzazione combinata preliminare dei due aspetti, che possa portare ad una soluzione ottima per la guidance e l'architettura del sistema. Un algoritmo di SCP è stato sviluppato e testato su diversi casi studio, spaziando da vincoli di puntamento e di de-puntamento all'imposizione di periodi di disattivazione dei propulsori in condizioni di congiunzione. I risultati ottenuti mostrano che la possibilità di calcolare traiettorie che siano compatibili con i vincoli operativi dipende dalla relazione tra la direzione della spinta e dello strumento, dimostrando così la possibilità di una progettazione combinata preliminare della traiettoria e dell'architettura del CubeSat.