Semi-analytical guidance and control for landing on small interplanetary bodies

In this document, an efficient and robust guidance algorithm is developed, which allows a generic spacecraft to approach a small celestial body and land on its surface. The developed guidance algorithm is semi-analytical and approximates the behavior of the spacecraft trajectory with fifth-order polynomials. This turns the calculation of the trajectory into linear system with 18 unknowns, solvable analytically, while mass and thrust profiles are subsequently computed numerically through ODEs. Through an optimization algorithm, an optimal trajectory is computed. Then its robustness and efficiency are verified and validated through multiple tests and modifications, like applying receding horizon control. The code suite resulting from the implementation of these processes on the software MATLAB is characterized by good computational efficiency, with each trajectory computation taking a relatively small amount of time to complete. The application of random noise to the spacecraft gives promising results, as the system is able to dampen the effects of disturbances on the accuracy of the landing position.

In questo documento, un algoritmo di guida efficiente e robusto viene sviluppato, con lo scopo di permettere ad un generico veicolo spaziale di avvicinarsi ad un piccolo corpo celeste e atterrare sulla sua superficie. L’algoritmo di guida sviluppato è semi-analitico e approssima il comportamento della traiettoria del veicolo con polinomi di quinto ordine. Questo trasforma il calcolo della traiettoria in un sistema lineare con 18 incognite, risolvibile analiticamente, mentre profili di massa e spinta vengono successivamente calcolati numericamente attraverso equazioni differenziali ordinarie. Attraverso un algoritmo di ottimizzazione, una traiettoria ottimale viene calcolata. Quindi, la sua robustezza ed efficienza sono verificate e validate attraverso molteplici test e modifiche, come l’applicazione di “receding horizon control”. Il set di codici risultante dall’implementazione di questi processi nel software MATLAB è caratterizzato da una buona efficienza computazionale, con ogni calcolo di traiettoria che richiede una quantità di tempo relativamente breve per la sua completazione. L’applicazione di rumore casuale al veicolo spaziale fornisce risultati promettenti, poiché il sistema è in grado di ammortizzare gli effetti che disturbi hanno sull’accuratezza della posizione di atterraggio.