Logic for autonomous on-board duty cycle control

The interplanetary trajectories are composed of several coast arcs (time period during which the thruster is off) and thrust arcs (time period during which the thruster is on). The alternation between these two arcs, defined as duty cycle, is based on a rationale that is tailored to the specific mission. In the context of an autonomous interplanetary transfer, and specifically in the EXTREMA project context (a project developed by the DART Group at Politecnico di Milano, whose aim is to enable fully autonomous interplanetary CubeSats) the rationale for the duty cycle is based solely on the duration of the individual arcs. Typically, the duration of the duty cycle is equivalent to a working week. However, different studies have demonstrated that the fixed duration of the duty cycle leads to an increase in uncertainty regarding the state of the spacecraft during the thrust arcs. This is attributable to the fact that the spacecraft gradually deviates from the nominal trajectory computed on board, which primarily results in an increase in the propellant mass consumed. The objective of this thesis is to develop a logic for autonomous on-board control of the duty cycle. This is accomplished through the implementation of the duty cycle control algorithm. In particular, sensors provide measurements of the spacecraft's attitude, the non-gravitational acceleration, and the voltage and current of the electric thruster. Subsequently, these measurements are processed through the Unscented Kalman Filter, which provides a reconstruction of the actual spacecraft trajectory directly on board. By defining a control criterion, the algorithm is capable of interrupting the thrust arc and replanning the trajectory when the spacecraft begins to deviate from the nominal, by comparing in real time the latter with the reconstructed trajectory. The duty cycle control algorithm has been tested on two distinct interplanetary trajectories. In both scenarios, the uncertainty associated with the spacecraft state vector during thrust arcs is reduced and the spacecraft closely follows the nominal trajectory, thereby reducing extra fuel mass consumption.

Le traiettorie interplanetarie sono composte da molti archi di costa (periodo in cui il propulsore è spento) e di spinta (periodo in cui il propulsore è acceso). L'alternanza tra questi due archi, definita come duty cycle, si basa su una logica sviluppata per la missione specifica. Nel contesto di un trasferimento interplanetario autonomo, ed in particolare nel contesto del progetto EXTREMA (un progetto sviluppato dal Gruppo DART del Politecnico di Milano, il cui obiettivo consiste nell'abilitazione di CubeSat interplanetari completamente autonomi), la logica del duty cycle si basa esclusivamente sulla durata dei singoli archi. In genere, la durata del duty cycle è equivalente ad una settimana lavorativa. Tuttavia, diversi studi hanno dimostrato che la durata fissata del duty cycle comporta ad un aumento dell'incertezza sullo stato del satellite durante gli archi di spinta. Ciò è dovuto al fatto che il satellite si discosta gradualmente dalla traiettoria nominale calcolata a bordo, comportando principalmente un aumento della massa di propellente consumata. L'obiettivo di questa tesi è sviluppare una logica per il controllo autonomo del duty cycle direttamente a bordo. Ciò è stato possibile attraverso l'implementazione dell'algoritmo di controllo del duty cycle. In particolare, prima i sensori forniscono misure riguardanti l'assetto del satellite, l'accelerazione non gravitazionale e la tensione e corrente del propulsore elettrico. Dopo, queste misure vengono elaborate attraverso l'Unscented Kalman Filter, il quale fornisce una ricostruzione della traiettoria reale del satellite direttamente a bordo. Attraverso la definizione di un criterio di controllo, l'algoritmo è in grado di interrompere l'arco di spinta e ripianificare la traiettoria nel momento in cui il satellite inizia a deviare dalla traiettoria nominale, confrontando in tempo reale quest'ultima con la traiettoria ricostruita. L'algoritmo di controllo del duty cycle è stato testato su due diverse traiettorie interplanetarie. In entrambi gli scenari, l'incertezza associata al vettore di stato del satellite durante gli archi di spinta, è ridotta e il satellite riesce a seguire la traiettoria nominale senza deviazioni di grande entità, riducendo così il consumo extra di massa propellente.