Autonomous Control for Rendezvous and Docking of CubeSats
Author
Ramirez Gomez, Aitor
Term
4. term
Education
Publication year
2019
Submitted on
2019-06-06
Pages
111
Abstract
Rendezvous and docking (RVD) in space enable on‑orbit servicing, assembly, debris removal, and refueling, yet are especially demanding for CubeSats due to tight propellant budgets and lower‑performance miniaturized sensors and actuators. This thesis investigates how to design an autonomous guidance, navigation, and control (GNC) system for CubeSat RVD that is fuel‑aware and robust to disturbances. It establishes reference frames and orbit/relative motion models for circular orbits and develops absolute and relative rotational and translational dynamics, including external and internal disturbances such as residual magnetic dipole, gravity‑gradient torque, aerodynamic drag, thruster misalignment, and propellant slosh. The control architecture features sliding‑mode control for relative attitude regulation (with sliding manifold design, reachability analysis, and reaction‑wheel momentum dumping) and model predictive control for constrained relative position guidance with motion profiles tailored to the phasing, far‑range, close‑range, and mating phases. The navigation subsystem models measurements from a star tracker and a camera and fuses them using an Unscented Kalman Filter, including detection of navigation convergence. Within this framework, mission requirements and CubeSat‑relevant sensors and actuators are surveyed. The provided excerpt emphasizes modeling and design; specific performance results or experimental validation are not included in these pages.
Rendezvous og docking (RVD) i rummet er centrale for service, samling, fjernelse af rumskrot og genopfyldning, men er særligt krævende for CubeSats på grund af begrænsede brændstofreserver og miniaturiserede sensorer og aktuatorer med lavere ydeevne. Denne afhandling undersøger, hvordan et autonomt GNC‑system (vejledning, navigation og kontrol) kan udformes til CubeSat‑RVD, så det er brændstofbevidst og robust over for forstyrrelser. Arbejdet opstiller referencesystemer og modeller for bane- og relativ bevægelse i cirkulære baner og udvikler absolutte og relative rotations- og translationsdynamikker, inklusive eksterne og interne forstyrrelser som restmagnetisk dipol, tyngdekraftsgradient, aerodynamisk modstand, skævt justerede thrustere og væskeslosh i tanke. Kontrolsystemet omfatter glidemoduskontrol til regulering af relativ attitude (med design af glidemangfoldighed, nå-betingelser og momentum‑dumpning af reaktionshjul) og modelprædiktiv kontrol til begrænset relativ positionsstyring med bevægelsesprofiler tilpasset faserne phasing, lang‑ og nær‑rendezvous samt tilkobling. Navigationsdelen opstiller målemodeller for stjernekamera og kamera og udfører sensorfusion med et Unscented Kalman‑filter, herunder detektering af navigationskonvergens. Inden for denne ramme gennemgås også missionens krav samt relevante sensorer og aktuatorer til CubeSats. Det foreliggende uddrag fokuserer på modellering og design; specifikke præstationsresultater eller eksperimentel validering fremgår ikke af disse sider.
[This apstract has been generated with the help of AI directly from the project full text]