Aplicações de Controlo Preditivo baseado em Modelos para o Rendezvous Cooperativo de Satélites

Abstract

Numa missão espacial a manobra de rendezvous para satélites é uma das etapas mais importantes e difíceis de realizar, permitindo aproximar dois satélites em órbita para depois serem fisicamente acoplados ou para interagirem entre si. Esta dissertação aborda o problema de rendezvous num contexto cooperativo, apresentando dois problemas complementares, nomeadamente o pelotão de múltiplos satélites e o serviço de satélites em órbita, utilizando o Controlo Preditivo baseado em Modelos (MPC). Com as soluções propostas, estes cenários de formação espacial podem ser considerados como um sistema cooperativo composto por vários satélites com um objetivo comum, o que pode ter grandes vantagens em relação a outras abordagens. Para cada cenário, um diferente modelo dinâmico, problema de optimização e configuração do MPC é apresentado, incluindo restrições relevantes para lidar com limitações físicas, problemas de visibilidade e também para garantir uma trajetória livre de colisões de outros satélites ou obstáculos. No entanto, tal como é habitual para as manobras de rendezvous, considera-se apenas o movimento relativo entre os satélites, tanto translacional como rotacional. No cenário de pelotão, diferentes algoritmos distribuídos e topologias de rede são apresentados de maneira a interligar os diferentes agentes do sistema, isto tendo em consideração uma formação líder-seguidor, que são depois analisados em termos de convergência e unicidade da ação de controlo óptima. Já no cenário de serviço é considerado uma dinâmica não linear cooperativa que através da atitude relativa consegue determinar a orientação desejada do satélite seguidor. Os métodos propostos são validados com resultados de simulação, mostrando que todos os veículos apresentam desempenho fidedigno seguindo uma determinada trajetória ou objetivo numa formação, enquanto satisfazem todas as restrições consideradas.

In a space mission the rendezvous maneuver for satellites is one of the most important and difficult steps to perform, allowing to bring two satellites closer in order to physically couple or to interact with each other. This dissertation approaches the problem of rendezvous in a cooperative context, addressing two complementary problems, namely, satellite platooning and on-orbit satellite servicing, using Model Predictive Control (MPC). With the proposed solutions, these space formation scenarios can be regarded as a cooperative system composed of several spacecraft with a common goal, which may have clear advantages relative to other approaches. For each application scenario, a different dynamic system model, optimization problem and MPC design is presented, including relevant constraints to deal with physical limitations, visibility problems, and also to guarantee a collision-free trajectory from other satellites or obstacles. However, as usual for the rendezvous maneuvers, only the relative motion between satellites is considered, accounting for both translational and rotational motions. For the platooning scenario, different distributed algorithms and network topologies are presented in order to connect the different agents, taking into account a leader-follower formation, which are then analyzed in terms of convergence and uniqueness of the optimal control action. In the service scenario, a cooperative nonlinear dynamic system is considered, where the desired orientation of the follower satellite is determined by the relative attitude. The proposed methods are validated with simulation results, showing that all vehicles demonstrate reliable performance following a given trajectory or goal in a formation, while satisfying all the considered constraints.