Mixed-integer model predictive control for attitude tracking during the coasting phase of a reusable launch vehicle with discrete actuators

The advent of Reusable Launch Vehicles (RLVs) has marked a turning point in the way access to space is conceived and implemented, enabling higher launch rates and renewing the interest in guidance, navigation and control techniques for booster recovery. Among the phases of a return mission, the exo-atmospheric coasting segment is particularly demanding: the vehicle is unpowered, aerodynamic surfaces are ineffective, and attitude control relies solely on cold-gas thrusters operated in on/off mode. This thesis, developed within the ESA OVERBORE project, addresses the attitude-tracking problem in this phase of flight for a Falcon~9-class booster. An attitude controller based on Mixed-Integer Model Predictive Control (MI-MPC) is proposed. The cold-gas thruster layout is described in detail and the thruster commands are treated as binary variables, so that tracking accuracy, propellant usage and switching activity can be optimized while explicitly accounting for the thruster discrete-nature. To reduce computational effort, a reduced-variable thruster model is introduced by aggregating opposed jets into signed commands, decreasing the number of integer variables while preserving the attainable body torques. The controller is evaluated in simulation on a nominal flip-over and coasting trajectory and benchmarked against a nonlinear PID-based architecture with control allocation and Pulse-Width-Pulse-Frequency (PWPF) modulation. The results indicate that the proposed MI-MPC achieves attitude-tracking performance comparable to or better than the reference solution, while providing a systematic way to trade tracking accuracy against economy of actuation. Overall, mixed-integer predictive control emerges as a viable and tunable approach for attitude control during the coasting phase of RLV boosters, adaptable to different mission priorities.

L’avvento dei veicoli di lancio riutilizzabili ha segnato una tappa fondamentale nello sviluppo dell’accesso allo spazio, consentendo maggiori frequenze di lancio e rinnovando l’interesse per le tecniche di guida, navigazione e controllo dedicate a missioni di recupero del primo stadio di tali veicoli. Tra le diverse fasi di una missione di rientro, il tratto eso-atmosferico di coasting risulta particolarmente complesso: il veicolo vola con i propulsori principali spenti, le superfici aerodinamiche sono inefficaci e il controllo d’assetto si basa su propulsori a gas freddo operati in modalità on/off. Questa tesi, sviluppata nell’ambito del progetto ESA OVERBORE, affronta il problema del tracking d’assetto in questa fase di volo per un vettore riutilizzabile di classe Falcon 9. Si propone un controllore d’assetto basato su Mixed-Integer Model Predictive Control (MI-MPC). La disposizione dei propulsori a gas freddo è modellata in modo dettagliato e i comandi sono trattati come variabili binarie, così da ottimizzare la precisione di tracking, l’impiego di propellente e l’attività di commutazione, considerando esplicitamente la natura discreta dei propulsori. Per ridurre il costo computazionale si introduce un modello di attuazione a variabili ridotte, ottenuto aggregando coppie di propulsori contrapposti in un unico comando, riducendo il numero di variabili intere e preservando al contempo l’insieme di coppie applicabili al veicolo. Il controllore è valutato in simulazione su una traiettoria di flip-over e coasting e confrontato con un’architettura di riferimento basata su un regolatore PID non lineare con control allocation e modulazione Pulse-Width-Pulse-Frequency (PWPF). I risultati indicano che il MI-MPC proposto raggiunge prestazioni di tracking d’assetto comparabili o superiori rispetto alla soluzione di riferimento, offrendo al contempo un meccanismo sistematico per bilanciare l’accuratezza di tracking e l’economia di attuazione. Nel complesso, il MI-MPC risulta una soluzione praticabile e regolabile per il controllo d’assetto nella fase di coasting di un veicolo di lancio riutilizzabile, adattabile agli obiettivi della missione.