A momentum-based relative dynamics model for hardware-in-the-loop simulation of On-Orbit Servicing

Due to the increasing amount of debris orbiting the Earth, on-orbit proximity operations have become an increasingly critical research topic. This type of maneuvers generally involves a chaser spacecraft docking with a target, to ultimately perform life-extension or deorbiting operations. As a result, these technological advancements aim to contribute to a more cost-effective and sustainable approach to space missions. This thesis focuses on the development of a novel control formulation for floating-base robotic systems, such as satellites, which is optimized for the context of on-orbit servicing. Specifically, the proposed dynamics representation allows the control of the motion of multiple systems both synchronously and independently, eliminating the need for acceleration measurements of the bodies. This capability can be effectively exploited to achieve docking in a wide range of configurations. In parallel, the work provides a relative dynamics notation that is utilized to successfully overcome the problem of reduced experimental workspace, intrinsically possessed by the robotic simulators employed during the on-ground testing. This work was entirely developed at the Robotics and Mechatronics Institute of the German Aerospace Center (DLR). Accordingly, the validation phase was conducted on the On-Orbit Servicing Simulator (OOS-SIM): a cutting-edge Hardware-in-the-Loop (HIL) facility for micro-gravity conditions. Therefore, the outcome of this thesis is a novel concept for on-ground validations, which effectively ensures physical consistency with the real mission scenario. In particular, the HIL simulator replicates only the relative motion between the two spacecraft, while their real total behavior is visualized in real-time through dedicated software.

A causa della crescente quantità di detriti orbitanti intorno alla Terra, le operazioni di prossimità in orbita sono diventate un argomento di ricerca sempre più cruciale. Questo tipo di manovre prevede generalmente l’aggancio di un veicolo spaziale con un bersaglio, per eseguire operazioni di estensione della vita o di deorbitamento di quest’ultimo. Di conseguenza, questi progressi tecnologici mirano a contribuire a un approccio più economico e sostenibile alle missioni spaziali. Questa tesi si incentra sullo sviluppo di una nuova formulazione di controllo per sistemi robotici a base flottante, come i satelliti, ottimizzata per il contesto del servizio in orbita. In particolare, la rappresentazione matematica della dinamica, proposta in questa tesi, consente di controllare il moto di più sistemi sia in modo sincrono che indipendente, eliminando la necessità di misurare l’accelerazione dei corpi. Questa capacità può essere efficacemente sfruttata per ottenere il loro aggancio in un’ampia gamma di configurazioni. Parallelamente, il lavoro fornisce una notazione di dinamica relativa che viene utilizzata per superare con successo il problema del ridotto spazio di lavoro sperimentale, intrinsecamente posseduto dai simulatori robotici impiegati durante i test a terra. Questo lavoro è stato interamente sviluppato presso l’Istituto di Robotica e Meccatronica del Centro Aerospaziale Tedesco (DLR). Di conseguenza, la fase di validazione è stata condotta sul On-Orbit Servicing Simulator (OOS-SIM): un simulatore Hardware-in-the-Loop (HIL) all’avanguardia di condizioni di microgravità. Quindi, il risultato di questa tesi è un concetto innovativo per le convalide a terra, che assicura la coerenza fisica con lo scenario reale della missione. In particolare, il simulatore HIL replica solo il movimento relativo tra i due veicoli spaziali, mentre il loro comportamento totale è visualizzato in tempo reale attraverso un software di simulazione dedicato.