Advanced AOCS control laws

The pointing accuracy of a spacecraft is a critical characteristic of every space mission, scientific as commercial. One of the best actuators to reach a fine pointing are the Reaction Wheels. However, when faced with demanding maneuvers, the wheels can reach their maximum rotation velocity, leading to a loss of control of the satellite. This phenomenon is called saturation. This thesis aims at proposing a method to cope with demanding maneuvers without saturating the wheels. This method is called Reference Governors (RG). It takes the form of an add-on block placed before the AOCS control loop which modulates the instruction so that the wheels do not saturate during a maneuver. Therefore, the Reference Governor solves an optimization problem to find the closest command to the instruction that does not lead to saturation. Several types of Reference Governors exist and are analyzed in this work, some solving a linear problem, other a quadratic one. For every type of Reference Governor, a linear state space representation of the satellite is needed. This work studies the case of Microcarb, a scientific satellite developed by CNES, and thus a synthesis model of the satellite is built. Different versions of the Reference Governors are tested on stringent maneuvers. The objective is to compare their performances with traditional AOCS strategies and to determine to which extent the RG is suitable to be embedded in a real spacecraft.

L’accuratezza del puntamento di un veicolo spaziale è una caratteristica critica di ogni missione, sia scientifica che commerciale. Uno dei migliori attuatori per ottenere un puntamento preciso sono le ruote a reazione. Tuttavia, quando si affrontano manovre impegnative, le ruote possono raggiungere la loro massima velocità di rotazione, portando a una perdita di controllo del satellite. Questo fenomeno è chiamato saturazione. La presente tesi ha l’obiettivo di proporre un metodo per affrontare manovre impegnative senza saturare le ruote. Questo metodo è chiamato Reference Governors (RG). Si tratta di un blocco aggiuntivo posto prima dell’anello di controllo AOCS che modula l’istruzione in modo che le ruote non saturino durante la manovra. Pertanto, il Reference Governor risolve un problema di ottimizzazione per trovare il comando più vicino alla consegna che non porti alla saturazione. Esistono diversi tipi di Reference Governor, analizzati in questo lavoro, alcuni dei quali risolvono un problema lineare, altri quadratico. Per ogni tipo di Reference Governor è necessaria una rappresentazione lineare dello state-space del satellite. Questo lavoro studia il caso di Microcarb, un satellite scientifico sviluppato dal CNES, e quindi un modello di sintesi del satellite é inoltre realizzato. Diverse versioni dei Reference Governors vengono testate su manovre critiche. L’obiettivo è quello di confrontare le loro prestazioni con le strategie AOCS tradizionali e di determinare fino a che punto l’ RG è adatto a essere incorporato in un veicolo spaziale reale. Advanced AOCS