Time-optimal guidance and control for spacecraft interception in LEO

This thesis presents a novel hybrid Guidance, Navigation, and Control (GNC) architecture designed for the rapid, time-optimal interception of non-cooperative targets in Low Earth Orbit (LEO) during the terminal rendezvous phase. The research addresses the critical challenge of autonomously and safely approaching uncooperative space assets in minimal time, while adhering to hard constraints such as thrust saturation and limited propellant. To reduce the computational load of continuous re-optimization while guaranteeing robustness against disturbances, the proposed architecture decouples the control problem into two layers. The Guidance Layer employs a quasiconvex bisection search combined with linear quasi-nonsingular Relative Orbital Elements (ROE) dynamics to solve the free-final-time optimal control problem. This formulation guarantees global optimality and constraint satisfaction. Concurrently, the Tracking Layer utilizes a Sliding Mode Controller (SMC), formulated using the Clohessy-Wiltshire (CW) equations, to track the trajectory and actively reject disturbances (such as J2 oblateness). The SMC parameters are automatically tuned via Particle Swarm Optimization (PSO). Additionally, an Artificial Potential Field (APF) strategy is integrated into the final approach phase to enforce safe approach corridor and ensure collision avoidance around the target. The overall GNC system, is tested and simulated under realistic conditions. Specifically, the simulations evaluate the system's performance during the critical navigation handover, transitioning from state estimation via an Inertial Navigation System (INS) to direct relative measurements provided by proximity sensors. Crucially, the architecture's robustness is further validated against severe actuator faults, such as stuck-open thrusters, and navigation failures. The system successfully demonstrates the reliable execution of passive safety abort maneuvers via eccentricity/inclination (E/I) vector separation. Ultimately, this thesis provides a computationally efficient, globally optimal, and robust framework for time-critical spacecraft interception missions.

Questa tesi presenta architettura ibrida di Guidance, Navigation, and Control (GNC) progettata per l'intercettazione a tempo minimo di target non cooperativi in orbita bassa terrestre (LEO) durante la fase di rendezvous terminale. La ricerca affronta la complessa sfida legata all'avvicinamento autonomo e sicuro ad asset spaziali non cooperativi nel minor tempo possibile, rispettando rigorosamente vincoli operativi quali la saturazione dei propulsori e limiti del propellente. Per ridurre il carico computazionale derivante da una continua ri-ottimizzazione, garantendo al contempo robustezza rispetto ai disturbi, l'architettura proposta disaccoppia il problema di controllo su due livelli. Il Guidance Layer impiega un algoritmo di ricerca quasi-convessa, combinato con la dinamica lineare dei Relative Orbital Elements (ROE), per risolvere il problema di controllo ottimo a tempo finale libero. Questa formulazione assicura un'ottimalità globale e il rispetto dei vincoli. Parallelamente, il Tracking Layer utilizza un controllore Sliding Mode (SMC), formulato sulle equazioni di Clohessy-Wiltshire (CW), per seguire la traiettoria di riferimento e reiettare i disturbi (come l'effetto J2). I parametri del controllore SMC sono calibrati automaticamente tramite un algoritmo di Particle Swarm Optimization (PSO). Inoltre, nella fase di avvicinamento finale, viene integrata una strategia basata sul Artificial Potential Field (APF) per garantire un corridoio di approccio e evitare collisione con il target. L'intero sistema GNC è testato e simulato in condizioni realistiche. Nello specifico, le simulazioni valutano le prestazioni del sistema durante la fase di handover della navigazione, ovvero il passaggio dalla stima dello stato tramite un sistema di navigazione inerziale (INS) all'utilizzo delle misurazioni relative fornite dai sensori di prossimità. Aspetto fondamentale, la robustezza dell'architettura è stata ulteriormente validata a fronte di guasti agli attuatori, come i propulsori, e di anomalie nel sistema di navigazione. Il sistema dimostra la capacità di eseguire in modo affidabile manovre di interruzione tramite la separazione del vettore eccentricità/inclinazione (E/I). In sintesi, questa tesi fornisce un framework computazionalmente efficiente, globalmente ottimo e robusto per missioni di intercettazione spaziale.