Propulsion System Modelling for Guidance and Control Realistic Simulation

This thesis develops a comprehensive tool aimed at optimising thruster usage for spacecraft control, improving the performance of generic Guidance and Control (G&C) systems. The tool solves the control allocation problem through the Optimal Thruster Combinations Table (OTCT) method, which features two algorithms: an on-ground algorithm for pre-computing optimal thruster combinations and an on-board algorithm for real-time control allocation. The on-ground algorithm leverages dual-simplex optimisation to minimise fuel consumption, generating tables tailored to specific mission requirements and thruster configurations, while the on-board algorithm adapts in real time to dynamic mission scenarios, by selecting the optimal combination inside the table according to the input command, coming from the G&C subsystem. Key novelties of this tool include its adaptability across different propulsion technologies and mission profiles. By expanding the standard OTCT method, the tool is able to accommodate both fixed and variable thrusters, ensure precise null moment generation during manoeuvres, and provide robustness against motor failures by pre-computing tables for contingency operations. Moreover, it can handle continuous or impulsive thrust actuation styles, making it highly versatile for various space applications. The tool’s application is demonstrated through ESA’s Tri-Hex formation flying mission, where a novel control law based on Relative Orbital Elements is introduced to efficiently manage the J2 perturbation, specifically targeting the differential effects on each spacecraft. The results show promising improvements in control accuracy and fuel efficiency, proving the tool’s and control law’s utility in both mission design and operational phases. Future developments could extend the tool’s capabilities to more complex mission architectures.

Questa tesi sviluppa uno strumento completo finalizzato a ottimizzare l’uso dei propulsori per il controllo dei veicoli spaziali, migliorando le prestazioni dei sistemi generici di Guida e Controllo (G&C). Lo strumento risolve il problema dell’allocazione del controllo attraverso il metodo della Tabella delle Combinazioni Ottimali dei Propulsori (OTCT), che si avvale di due algoritmi: un algoritmo a terra per il pre-calcolo delle combinazioni ottimali dei propulsori e un algoritmo a bordo per l’allocazione del controllo in tempo reale. L’algoritmo a terra utilizza l’ottimizzazione dual-simplex per minimizzare il consumo di carburante, generando tabelle adattate ai requisiti specifici della missione e alle configurazioni dei propulsori, mentre l’algoritmo a bordo si adatta in tempo reale agli scenari dinamici della missione, selezionando la combinazione ottimale all’interno della tabella in base al comando in ingresso proveniente dal sottosistema G&C. Le principali novità di questo strumento includono la sua adattabilità a diverse tecnologie di propulsione e profili di missione. Espandendo il metodo OTCT classico, lo strumento è in grado di gestire sia propulsori a spinta fissa che variabile, garantire l’annullamento dei momenti durante le manovre, e adattarsi ad eventuali guasti dei motori, pre-calcolando tabelle per operazioni di emergenza. Inoltre, può gestire stili di attuazione con spinta continua o impulsiva, risultando altamente versatile per diverse applicazioni spaziali. L’applicazione dello strumento viene dimostrata attraverso la missione Tri-Hex di ESA, una missione di volo in formazione, dove viene introdotta una nuova legge di controllo basata sugli Elementi Orbitali Relativi per gestire in modo efficiente la perturbazione J2, mirando specificamente agli effetti differenziali su ciascun veicolo spaziale. I risultati mostrano promettenti miglioramenti nella precisione del controllo e nell’efficienza del carburante, dimostrando l’utilità dello strumento e della legge di controllo sia nella fase di progettazione che in quella operativa della missione. Sviluppi futuri potrebbero estendere le capacità dello strumento ad architetture di missione più complesse.