Autonomous Rendezvous with a non-cooperative satellite: trajectory planning and control

According to the rise of new problems and new demands in the space field, the most important concerning the mitigation of space debris or the spacecraft on-orbit servicing and assistance themes, the Autonomous Rendezvous scenario between a chase satellite and a non-cooperative target satellite is becoming increasingly significant, ambitious, and attractive. The main issue to overcome, however, consists in the identification of a robust and successful approach strategy: while the execution of a rendezvous and docking or capture maneuver with a cooperative satellite has already been tested and holds a solid flight heritage, the autonomous rendezvous with a non-cooperative satellite in a state of tumbling motion is a scenario in the early days, with few studies about it and a not yet mature technology. The aim of this thesis consists in the identification of an approach strategy that deals with the main challenges related to the considered problem, namely non-cooperativeness and exiguous information about the target to be reached. These two issues lead to the need of performing an inspection motion and considering several constraints in the trajectory design. A controller suitable to handle this complex and multi-constrained problem is the Model Predictive Controller, in a linear or non-linear form, paired with a Kalman filter. The ability of this controller to predict and plan an approaching trajectory, starting from estimates of the relative position between the target and the chaser, allows to complete the approaching maneuver safely and in a robust way.

Con la nascita di nuove problematiche e nuove esigenze in ambito spaziale, le più importanti riguardanti il tema della mitigazione dei detriti spaziali o dell’assistenza e del servizio dei satelliti in orbita, lo scenario di rendez-vous autonomo tra un satellite inseguitore e un satellite target non cooperativo sta diventando sempre più centrale, ambizioso e accattivante. Il grande scoglio da superare, tuttavia, consiste nell’individuazione di una strategia di approccio robusta e vincente: mentre l’esecuzione di una manovra di rendez-vous e docking o cattura con satellite cooperativo è già stata collaudata e possiede una consolidata eredità di volo, il rendez-vous autonomo con satellite non cooperativo ed in stato di tombolamento è uno scenario agli albori, con pochi studi al riguardo. Lo scopo di questa tesi consiste nell’identificazione di una strategia di approccio che consideri le principali problematiche legate al tema in questione, ovvero la non-cooperazione e le scarse informazioni sullo stato di moto del target da raggiungere. Queste due complicazioni portano alla necessità di eseguire un moto di ispezione del satellite target e alla considerazione di numerosi vincoli nella progettazione della traiettoria di ispezione e di approccio. Un controllore adatto a trattare questo problema complesso e multi-vincolato è il Model Predictive Controller, in forma lineare o non lineare, abbinato ad un filtro di Kalman. La capacità di questo controllore di previsione e pianificazione di una traiettoria d’approccio, a partire da stime di posizione relativa tra target e inseguitore, permette di portare a termine la manovra in modo sicuro e robusto.