Development and Testing of Hardware Simulator for Satellite Proximity Maneuvers and Formation Flying

Satellite Formation Flying (SFF) and Proximity Operations are applications that have increasingly gained interest over the years. These applications foresee the substitution of a single spacecraft with a system of multiple satellites that perform coordinated position and attitude control maneuvers, which in turn results in higher accuracy of payload measurement, higher flexibility, robustness to failure, and reduction of development costs. These systems present however higher difficulties in their design since they have not only absolute but also relative state requirements, which make them also liable to higher control action expense with respect to (wrt) the single satellite systems. Moreover, applications like Automated Rendez-Vous and Docking (RVD) and in general close proximity maneuvers present a high risk of impact between the satellites, which must be treated with an appropriate design of the on board Guidance Navigation and Control (GNC) system. These aspects justify the development and employment of a ground hardware simulator representative of two or more satellites performing coordinate maneuvers, allowing the investigation of these problems with an easily accessible system. The aim of my Ph.D. Activities has consisted in the development and testing of the cooperating SPAcecRaft Testbed for Autonomous proximity operatioNs experimentS (SPARTANS) hardware simulator, which is under development since 2010 at the Center of Studies and Activities for Space (CISAS) of the University of Padova. This ground simulator presents robotic units that allow the reproduction of the relative position and attitude motions of satellites in proximity or in formation, and can be therefore employed for the extensive study of control algorithms and strategies for these types of applications, allowing dedicated hardware in the loop to be tested in a controlled environment. At the beginning of my Ph.D., the testbed consisted in the first prototype of Attitude Module (AM), a platform with three rotational Degrees of Freedom (DOF) of Yaw, Pitch and Roll, controllable through a GNC system based on incremental encoders and air thrusters. A small contribution was initially given in support of the execution of a series of 3 DOF attitude control maneuvers tests with the AM. Subsequently, the first activity consisted in the design and development of the air suspension system that enables a low friction translational motion of the a whole Unit of the testbed over the test table, with the characterization of air skids available in laboratory. The subsequent activity consisted in the design and development of the Translation Module (TM), the lower section of the whole Unit, as modular structure supporting the air suspension system, the AM, and the on board localization system. After this activity the on board localization system for position and Azimuth estimation, based on Optical Flow Sensors (OFS), was developed and tested. The system was installed on a TM base prototype and it was calibrated and tested with the imposition of known motions through rotational and translational motorized stages wich were used in conjunction, presenting max deviations at the level of 0.1° for a total rotational range of 40°, and max deviations of 1 mm for a total translational range of 100 mm. Combined maneuvers, i.e. translational and rotational motions imposed in sequence, were subsequently performed, showing a drift trend, up to approximately 1 cm for a 90° rotation. Subsequently the OFS system was assembled in the TM and integrated with an external vision system, under development in parallel in the context of the SPARTANS project. Results showed a good general concordance between the two systems, but combined maneuvers with extended rotational range showed again a drift trend in the OFS system solution, not only in position but also in Azimuth. A parallel activity consisted in the design and development of the levellable test table for the Units with a modular structure. Another activity consisted in the development of a Matlab Software Simulator for Units tests planning. A series of preliminary standard and optimal control maneuvers were planned with the software simulator. The last activity of my Ph.D. consisted in the analysis of an inspection scenario for satellite removal purposes, with the goal of reproducing the relative dynamics in scale with the SPARTANS simulator. The chosen scenario foresaw the inspection, through a vision system on board an inspection satellite, of the currently freely tumbling Envisat spacecraft . The analysis performed with a Matlab software simulator was focused on the acquisition and maintainance of a circular relative orbit at close range starting from a flyaround orbit, through the employment of Model Predictive Control (MPC) and Linear Quadratic Regulator (LQR) optimal controllers. Simulations results showed a lower tracking error in position with the MPC controller wrt to the LQR controller, but with a higher control action expense: for a 6 hours inspection on a 41 m radius circular relative orbit, the max total delta-v component resulted of 3.3 m/s for MPC, while it resulted of 0.7 m/s for LQR. In the present configuration the SPARTANS testbed presents a first complete Unit and test table to be assembled in the immediate future for the execution of the first position and attitude control maneuvers. The final configuration of the testbed will present a minimum of two Units allowing to perform coordinate control maneuvers for the investigation and study of problems and strategies related to SFF, Automated Rendez-Vous and Docking, and in general proximity manevuers.

Il volo in formazione e le manovre di prossimità tra satelliti sono applicazioni che hanno progressivamente acquisito interesse negli ultimi anni. Queste applicazioni prevedono la sostituzione di un singolo satellite con sistemi formati da più satelliti che eseguono manovre coordinate di controllo di posizione e assetto, il che comporta un aumento di accuratezza delle misure dei payload distribuiti, maggior flessibilità, robustezza alle avarie, e riduzione dei costi di sviluppo. Ciònonostante questi sistemi presentano difficoltà maggiori nella loro progettazione, in quanto hanno requisiti di stato non solo assoluti ma anche relativi, il che li rende anche portati a maggiore spesa di azione di controllo rispetto ai sistemi satellitari singoli. Inoltre applicazioni come Automated Rendez-Vous and Docking (RVD) ed in generale manovre di prossimità presentano un alto rischio di impatto tra satelliti, che va trattato con una progettazione appropriata del sistema di Guida Navigazione e Controllo (GNC) di bordo. Questi aspetti giustificano lo sviluppo e l'utilizzo di un simulatore hardware a terra, rappresentativo di due o più satelliti che eseguono manovre coordinate, permettendo l'investigazione e lo studio di queste problematiche con un sistema facilmente accessibile. Lo scopo delle mie attività di dottorato è consistito nello sviluppo e collaudo del simulatore hardware cooperating SPAcecRaft Testbed for Autonomous proximity operatioNs experimentS (SPARTANS), in sviluppo dal 2010 presso il Centro di Ateneo di Studi e Attività Spaziali (CISAS) dell'Università degli Padova. Questo simulatore di terra presenta Unità robotiche che permettono la riproduzione dei moti relativi di assetto e posizione di satelliti in formazione o in prossimità, e può quindi essere utilizzato per studi estensivi di algoritmi e strategie di controllo per questo tipo di applicazioni, con hardware in the loop collaudabile in un ambiente controllato. All'inizio del mio dottorato, il testbed consisteva nel primo prototipo del Modulo di Assetto (AM), una piattaforma con tre Gradi di Libertà (GdL) rotazionali di Yaw, Pitch, Roll, controllabili con un sistema di GNC basato su encoders incrementali e razzetti ad aria. Un contributo limitato è stato inizialmente dato in supporto all'esecuzione di una serie di manovre di controllo di asseto a 3 GdL con il solo AM. Successivamente la prima attività è consistita nella progettazione e sviluppo del sistema di sospensione ad aria che permette un moto traslazionale a basso attrito dell'Unità intera sul tavolo di collaudo, con la caratterizzazione dei pattini ad aria disponibili in laboratorio. L'attività successiva è consistita nella progettazione e sviluppo del Modulo di Traslazione (TM), la sezione inferiore di un' Unità intera, nella forma di una struttura modulare che supporta il sistema di sospensione ad aria, AM, e il sistema di localizzazione di bordo. In seguito a questa attività è stato sviluppato e testato il sistema di localizzazione di bordo per la stima di posizione e Azimuth basato su sensori Optical Flow Sensors (OFS) di tipo mouse installati a bordo del TM. Il sistema è stato installato su un prototipo della base del TM ed è stato calibrato e testato con imposizione di moti noti tramite slitte rotazionali e traslazionali usate in congiunzione, presentando deviazioni massime al livello di 0.1° per un range rotazionale totale di 40°, e deviazioni massime al livello di 1 mm per un range traslazionale totale di 100 mm. Manovre combinate, i.e. moti traslazionali e rotazionali effettuati in sequenza, sono state successivamente effettuate, mostrando un trend di drift in posizione, fino a circa 1 cm per una rotazione di 90°. Successivamente il sistema OFS è stato assemblato nel TM ed è stato integrato con un sistema di visione esterno in sviluppo in parallelo nel contesto del progetto SPARTANS. I risultati hanno mostrato una buona concordanza generale tra i due sistemi, ma manovre combinate con range rotazionale esteso hanno mostrato ancora un trend di drift nella soluzione del sistema OFS, non solo in posizione ma anche in Azimuth. Un' attività parallela è consistita nella progettazione e sviluppo del tavolo livellabile di collaudo delle Unità con una strutta modulare. Un'altra attività è consistita nello sviluppo di un Simulatore Software in Matlab per la pianificazione di test con le Unità. Una serie di manovre preliminari di controllo standard e controllo ottimo sono state pianificate con il simulatore software. L'attività finale del mio dottorato è consistita nell'analisi di uno scenario di ispezione per operazioni di rimozione di satelliti, con lo scopo di riprodurre la dinamica relativa in scala tramite il simulatore SPARTANS. Lo scenario scelto ha previsto l'ispezione tramite sistema di visione di bordo, del satellite Envisat, attualmente in tumbling libero in orbita. L'analisi, effettuata con un simulatore software in Matlab, è stata concentrata sull'acquisizione e mantenimento di un'orbita relativa circolare a distanza ravvicinata, partendo da un'orbita di flyaround, con l'utilizo di controllori ottimi Model Predictive Control (MPC) e Linear Quadratic Regulator (LQR). I risultati della simulazione di ispezione hanno dimostrato un minore errore di tracking di posizione con il controllore MPC rispetto al controllore LQR, ma con spesa maggiore di azione di controllo: per un'ispezione di 6 ore su un'orbita relativa di raggio 41 m la massima componente di delta-v totale è risultata di 3.3 m/s per MPC, mentre per LQR è risultata pari a 0.7 m/s. Nella configurazione attuale il simulatore SPARTANS presenta una prima Unità completa ed il tavolo di collaudo che saranno assemblati in modo definitivo nell'immediato futuro, per l'esecuzione delle prime manovre di controllo di posizione insieme ad assetto. Nella configurazione finale il testbed presenterà un minimo di due Unità, permettendo l'esecuzione di manovre di controllo coordinato per l'investigazione e lo studio di problematiche e strategie legate a volo in formazione, Automated Rendez-Vous and Docking, ed in generale manovre di prossimità.