Dynamics and control of tethered satellite formations in low-Earth orbits

Abstract

This thesis is focused on the study of dynamics and control of a multi-tethered satellite formation, where a multi-tethered formation is made up with several satellites (agents) connected by means of cables (tethers). The goal of the first part of the study is to evaluate the effect of tether mass on multi-tethered clusters. Due to the complexity of the formations analyzed, the stability of the formation is assessed through a numerical simulation. The behavior is evaluated in the ideal case of circular orbits, but also in non-ideal cases such as that of elliptical reference orbit or perturbed motion. For circular reference orbits, the dynamics of tethered satellite formation is studied, showing that tether mass affects formation dynamics for closed configurations featuring external tethers. This leads to significant instability effects affecting the position of deputies with respect to the parent body neglected by a more elementary modeling approach. When combined effect of orbit eccentricity and tether mass on tethered formations is analyzed, the most noticeable effect due to eccentricity is the increase in the variation of the local spin rate of the cluster between perigee and apogee passes of the reference elliptical orbit. This effect has consequences over the elongation of tethers, shape of tether oscillations and angular separation between adjacent tethers especially for open formations. When taking into account the J2 effect on massive tethered satellite formations, in the Earth¿facing scenario, the trajectory of the parent body presents oscillations of increasing amplitude in the direction perpendicular to the orbital plane. The second part of the study is focused on deriving a control law for position and attitude control of an Earth-facing double pyramid multi-tethered cluster. The control problem is decomposed in two levels: A first level to perform position and attitude coarse control of the formation as a whole, and a second level to achieve accurate position and control of each agent of the cluster. For the purpose of attitude control, and taking advantage again of the similarities between a tethered cluster and a rigid body, the virtual structure approach is chosen as the most suitable option. The formulation shown in this thesis augments the general virtual structure equations valid for a static formation by adding the kinematics of a spinning formation, since the original formulation is valid only to achieve a static final state. The controller is designed to modify the spin rate and the moment of inertia of the formation through a reeling mechanism, and therefore to be able to control the Likins-Pringle tilting angle of the cluster. For the derivation of the accurate positioning control law, the study initially discusses different alternatives based on the state of the art of the robotics control literature. After evaluating other alternatives, two control laws are chosen for this application: One based on a PID controller and one based on the sliding mode control technique. For the sliding mode based control, a proof of semi-global exponential stability is provided. Results of a representative simulation assess the viability of the control approach proposed leading to a submillimetric positioning accuracy.

La tesi es centra en l'estudi de la dinàmica i control de formacions de satèl·lits connectats per tethers. Aquestes formacions estan compostes per diversos satèl·lits (agents) connectats per cables (tethers). L'objectiu de la primera part de l'estudi, és l'avaluació de l'efecte de la massa a clústers connectats per múltiples tethers. Degut a la complexitat de les formacions analitzades, l'estabilitat de la formació s'analitza a través de simulacions. S'estudia el comportament pel cas ideal d'orbites circulars, així com en casos no ideals tals com orbites de referència el·liptiques, o moviment sota l'efecte de pertorbacions. La tesi analitza la dinàmica de les formacions per òrbites circulars, mostrant que l'efecte de la massa dels tethers afecta la dinàmica de formacions de geometria tancada (on el perímetre extern esta definit per tethers) amb un satèl·lit central. Aquest efecte dóna lloc a una clara inestabilitat que afecta la posició dels agents respecte a l'objecte central. Aquest efecte no és apreciable en models simplificats on s'ignora l'efecte de la massa al model. Quan es combina una òrbita de referència el·liptica amb un model que incorpora la massa dels tethers, l'efecte més notori és la variació de la velocitat de rotació local del clúster entre el pas per l'apogeu i perigeu de l'òrbita de referència. Aquest efecte té conseqüències sobre l'elongació dels tethers, la forma de les oscil·lacions, i la separació entre tethers adjacents (especialment en el cas de formacions obertes). Quan es té en compte l'efecte de la pertorbació J2, en el cas de formacions orientades envers la Terra, la trajectòria de l'objecte central presenta oscil·lacions d'amplitud creixent en la direcció perpendicular al pla orbital. La segona part de l'estudi es centra en la definició d'una llei de control per regular la posició i orientació d'un clúster amb geometria de doble piràmide orientat envers la Terra. El problema de control es descompon en dos nivells. Un primer nivell per un control primari de posició i orientació del cluster, i un segon nivell per un control de posició precís per a cada agent del cluster. Per tal d'aconseguir el primer nivell de control, i aprofitant les similituds entre un cluster connectat per tethers i un sòlid rígid, s'utilitza la tècnica d'estructura virtual. La formulació utilitzada en aquest estudi amplia el model general d'estructura virtual utilitzat per formacions estàtiques, tot afegint les equacions necessàries per a una formació que gira sobre un eix propi. El controlador esta dissenyat per permetre el canvi de la velocitat de gir i el moment d'inèrcia de la formació a través d'un sistema que permet modificar la longitud dels tethers. D'aquesta forma es permet controlar l'angle d'inclinació de Likins-Pringle del clúster. Per a la definició del control de precisió, l'estudi avalua inicialment diferents alternatives basades en l'estat de l'art de sistemes de control aplicats a robòtica. Després de descartar altres alternatives, es proposen dues lleis de control : Una primera basada en un controlador PID, i una basada en control lliscant. Per l'opció de control lliscant es presenta una demostració d'estabilitat exponencial semiglobal. Els resultats de simulacions confirmen la viabilitat de la solució de control que permet posicionament amb precisió submil·limetrica