Adaptive closed-loop control for post-capture spacecrat de-tumbling with real-time inertia estimation using dual-filter UKF

The following study focuses on the post-capture phase of an In-Orbit Servicing mission of a tumbling target spacecraft. The current methods about the above mentioned operations rely on different technologies which, almost often, require a clear understanding of the target spacecraft for what concerns the inertial parameters and mass properties. Also these methods hardly consider a closed-loop model in which the coupled dynamics are assessed together with the control and parameter estimation algorithms. This work aims to perform the de-tumbling and to estimate the unknown inertia parameters of the target in order to have a deeper knowledge of the system. This is done by creating a closed-loop system with control of base and manipulator that interacts with a Dual-Filter logic algorithm. Thanks to this system and the choice of the Unscented Kalman Filters (UKF), the inertia of the target can be estimated in real-time with no need of stopping neither the base control nor the manipulator control. The developed study aims to delve deeper into the post-capture maneuver and improve the efficiency of this phase. To do so the system relies on MATLAB and it proposes two studies: the first one aims to understand the possible constrains of the capturing maneuver by using a Monte Carlo analysis that varies the initial arm configuration; the second one analyses the behavior of the system by increasing the mass and dimension of the target. With these analysis, this paper demonstrates the low influence of the manipulator initial geometry and the importance of the Persistent Excitation (PE) on the parameter estimation of the target's inertia.

Questo studio si concentra sulla fase post-cattura di una missione di Servizio in Orbita (In-Orbit Servicing) di un veicolo spaziale bersaglio in rotazione incontrollata. Le metodologie attuali per le operazioni sopra menzionate si basano su diverse tecnologie, che spesso richiedono una comprensione chiara dei parametri inerziali e delle proprietà di massa del veicolo spaziale bersaglio. Inoltre, queste metodologie raramente considerano un modello a ciclo chiuso in cui le dinamiche accoppiate vengono valutate insieme agli algoritmi di controllo e stima dei parametri. Questo lavoro ha l'obiettivo di eseguire la stabilizzazione (de-tumbling) e stimare i parametri di inerzia sconosciuti del bersaglio per ottenere una conoscenza più approfondita del sistema. A tale scopo, viene creato un sistema a ciclo chiuso con controllo della base e del manipolatore, che interagisce con un algoritmo di logica Dual-Filter. Grazie a questo sistema e all’impiego dei Filtri di Kalman Unscented (UKF), l'inerzia del bersaglio può essere stimata in tempo reale, senza dover interrompere il controllo della base né quello del manipolatore. Lo studio sviluppato mira ad approfondire la manovra post-cattura e a migliorare l'efficienza di questa fase. A tal fine, il sistema si avvale del software MATLAB e propone due studi: il primo ha lo scopo di comprendere i possibili vincoli della manovra di cattura attraverso un'analisi Monte Carlo che varia la configurazione iniziale del braccio; il secondo analizza il comportamento del sistema aumentando la massa e le dimensioni del bersaglio. Attraverso queste analisi, il lavoro dimostra la scarsa influenza della geometria iniziale del manipolatore e l'importanza dell’Eccitazione Persistente (PE) nella stima dei parametri di inerzia del bersaglio.