Development of guidance and actuation laws for the attitude control of an autonomous CubeSat.

The space sector is now living a prosperous growth after the decline shown in the last decade of the 20th century. The number of satellites launched per year is exponentially increasing, however, the efforts of space exploration tends to be channeled only towards the region closest to the Earth, with only a few deep-space satellites currently operating. The recent rampant interest in the outer planets of our Solar system is definitely leading to a rise in the number of missions aimed at discovering new uncharted territories, which however will have to deal with some obstacles, mainly the high level of power required to communicate in deep-space, which drives up the operational costs, and the time delays caused by the huge distances, which could jeopardize the achievement of the mission itself, other than leading to an imminent saturation of the ground segments in charge of communicating with deep-space probes. In this context, the ERC-funded EXTREMA project aims to workaround by replacing the old paradigm based on a continuous connection with the ground segment with a new one, enabling autonomous self-driving CubeSats which do not require any control from ground. The results will then be transferred to bigger spacecraft that, thanks to their higher budgets, will open up new opportunities for deep-space exploration. To achieve this objective, accuracy and robustness in both tracking and pointing maneuvers are paramount: if the thruster is pointing in the wrong direction or the spacecraft is unable to perform precise attitude maneuvers, the probe will get lost in space, with no possibility of recovery. The present thesis project aims to develop robust attitude and actuation control laws for trajectory tracking and pointing, exploiting the non-linear control theory based on Lyapunov's second stability theorem. Moreover a spacecraft's mathematical and numerical model is implemented in Simulink to test and validate the developed algorithms through the simulation of a case study inspired by an Earth-to-Mars interplanetary transfer, in which both external and internal perturbations typically affecting a deep-space probe are implemented to assess the robustness of the control laws.

Il settore spaziale sta vivendo una crescita prosperosa a seguito del declino mostrato nell'ultimo decennio del ventesimo secolo. Il numero di satelliti lanciati ogni anno sta aumentando esponenzialmente, tuttavia, gli sforzi dell'esplorazione spaziale tendono a rimanere incanalati solamente verso la regione più vicina alla Terra, con solo pochi satelliti attualmente operativi nello spazio profondo. Il recente interesse riguardo i pianeti più esterni del nostro sistema solare sta sicuramente portando ad un aumento nel numero di missioni volte a scoprire nuovi territori inesplorati, che tuttavia dovranno scontrarsi con qualche ostacolo, in particolare l'alto livello di potenza richiesto per comunicare nello spazio profondo, che fa lievitare i costi operativi, e i ritardi nella comunicazione causati dall'enormi distanze, che possono mettere a repentaglio il compimento della missione stessa, oltre che portare all' imminente saturazione delle stazioni di controllo incaricate di comunicare con sonde nello spazio profondo. In questo contesto, il progetto EXTREMA punta ad aggirare il problema rimpiazzando il vecchio paradigma con uno nuovo, in grado di abilitare CubeSat autonomi capaci di guidarsi da soli senza bisogno di nessun controllo da terra. Il risultato sarà poi trasferito su satelliti più grandi che, grazie a maggiori budget, apriranno nuove opportunità per l'esplorazione dello spazio profondo. Per raggiungere questo obbiettivo, precisione e robustezza nelle manovre di tracciamento e puntamento sono fondamentali: se il propulsore punta nella direzione sbagliata, o il satellite non è in grado di compiere le manovre richieste, la sonda verrà persa nello spazio senza nessuna possibilità di recupero. La presente tesi mira a sviluppare robuste leggi di controllo dell'assetto e dell'attuazione per il puntamento e il tracciamento della traiettoria, sfruttando la teoria del controllo non lineare basata sul secondo teorema di stabilità di Lyapunov. Inoltre, il modello matematico e numerico di un satellite è stato implementato in Simulink al fine di testare e validare gli algoritmi sviluppati attraverso la simulazione di un caso di studio ispirato ad un trasferimento interplanetario dalla Terra a Marte, nel quale perturbazioni sia esterne che interne che tipicamente colpiscono una sonda nello spazio profondo sono state aggiunte al fine di accertare la robustezza delle leggi di controllo.