Control techniques for pinpoint landing on Mars: performance enhancement through LQR and model predictive control

This thesis investigates different control techniques, within the broader framework of Guidance Navigation and Control (GNC), to perform a pinpoint landing maneuver on Mars. In recent years, pinpoint landing on celestial bodies such as the Moon and Mars has become one of the most relevant challenges in space exploration. This growing interest is driven by the need, for future missions, to precisely reach predefined landing sites for scientific, logistic, and even human exploration purposes. This study was carried out in collaboration with Thales Alenia Space - Italy (TAS-I) in Turin, in particular in the project office of the European Space Agency (ESA) mission ExoMars Rosalind-Franklin, which provided the main working material. Starting from the Proportional–Integral–Derivative (PID) controller as a benchmark solu- tion already implemented by TAS-I, two advanced control techniques are analyzed: Linear Quadratic Regulator (LQR) and Model Predictive Control (MPC). Both techniques are tested under two sensor configurations of the lander: a configuration with three sensors (inertial measurement unit, radar doppler altimeter, landing vision system) and the sec- ond one using only altimeter, without radar doppler. The results show that the LQR improves the most important performance parameters for a pinpoint landing for both configurations, whereas the MPC exhibits limitations in the two-sensor configuration, also due to its higher computational burden and increased tuning complexity.

L’obiettivo di questa tesi è di investigare diverse tecniche di controllo, nel quadro più ampio di Guida Navigazione e Controllo (GNC), per eseguire una manovra di atterraggio di precisione su Marte. Recentemente, l’atterraggio di precisione su altri corpi celesti, come la Luna o Marte, è diventata una delle sfide più importanti per l’esplorazione spaziale. Questo crescente interesse è guidato dal desiderio, per le missioni future, di raggiungere con precisione siti di atterraggio predefiniti per motivi scientifici, logistici, o anche per l’esplorazione umana. Questo studio è stato realizzato in collaborazione con Thales Alenia Space - Italia (TAS- I) a Torino, in particolare nel project office della missione ExoMars Rosalind-Franklin dell’ESA (European Space Agency), che ha fornito il principale materiale di lavoro. Partendo da un controllore Proporzionale-Integrale-Derivativo (PID), implementato da TAS-I, come termine di paragone per i risultati, due tecniche di controllo avanzate sono analizzate: il Linear Quadratic Regulator (LQR) e il Model Predictive Control (MPC). Entrambe le tecniche sono testate in due diverse configurazioni di sensori per il lander: una con tre sensori (unità di misura inerziale, radar doppler altimetro, sistema di visione in atterraggio) e la seconda con solo l’altimetro a disposizione, senza il radar doppler. I risultati mostrano che il controllore LQR migliora i parametri di performance più im- portanti relativi all’atterraggio di precisione per entrambe le configurazione, mentre il controllore MPC mostra limitazioni nella configurazione con due sensori, anche a causa del suo alto carico computazionale e della sua maggiore complessità di tuning.