Verification and validation of a GNC simulator for In-Orbit Servicing scenarios

Questa Tesi Magistrale si propone di validare attraverso una serie di test e simulazioni lo sviluppo di un simulatore completo implementato in ambiente MATLAB/ Simulink/ Simscape. Il simulatore, chiamato Functional Engineering Simulator (FES), è nato nell'ambito di un'attività di ricerca sotto contratto ESA al fine di supportare lo sviluppo e il test di algoritmi di navigazione e controllo che consentano operazioni orbitali di Close-Proximity Operations (CPOs) tra un satellite chaser dotato di un braccio robotico e un oggetto orbitante. Tre scenari rappresentativi di In Orbit Servicing (IOS) e Active Debris Removal (ADR) sono definiti nel FES. Il primo scenario rappresenta una missione IOS in orbita terrestre geostazionaria (GEO) che ha l'obiettivo di estendere la vita operativa di una grande piattaforma geostazionaria. Il secondo scenario rappresenta sia una missione IOS che ADR in orbita terrestre bassa (LEO) per una grande piattaforma di costellazione. L'ultimo scenario rappresenta una missione ADR su misura per uno dei più grandi detriti in orbita LEO, ENVISAT. Questa Tesi Magistrale mira alla verifica e alla convalida dei primi due scenari implementati nel FES. In particolare, gli obiettivi di questa Tesi Magistrale, per gli scenari considerati, sono: (1) eseguire test di verifica sui requisiti del FES; (2) eseguire simulazioni nominali; (3) fornire una valutazione dell'Error Budget; (4) eseguire un test preliminare della campagna Monte Carlo. Per il primo obiettivo si eseguono una serie di test per verificare le funzionalità del FES e i requisiti del GNC implementati nel FES. Dopo che le funzionalità del FES sono state convalidate, le simulazioni nominali degli scenari GNC sono condotte sul sistema nella condizione nominale. Poi, per l'analisi dell'Error Budget si eseguono diverse simulazioni in cui tutti i parametri identificati come possibili fonti di errore sono impostati al loro valore ideale ad eccezione di quello da testare che viene considerato con il suo comportamento reale. Infine, vengono eseguite 70 simulazioni Monte Carlo per i primi due scenari selezionando casualmente i valori dei parametri all'interno del loro range di incertezza. I risultati ottenuti mostrano che tutte le funzionalità del FES e i requisiti GNC implementati nel FES sono convalidati. Inoltre, le simulazioni nominali hanno dimostrato che le prestazioni del GNC soddisfano i requisiti. L'analisi dell'Error Budget ha fornito una valutazione delle principali fonti di errore del sistema GNC identificando i sensori di navigazione, i thrusters e lo sloshing come le fonti di errore più importanti per la base del chaser. Per l'End Effector del braccio robotico, a queste fonti si aggiungono anche i motori DC Brushless e gli encoder ottici. Le simulazioni Monte Carlo hanno dimostrato la solidità e la robustezza del FES sotto gli effetti delle incertezze che riguardano vari parametri del sistema.