On the trajectory design, guidance and control for spacecraft rendezvous and proximity operations
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Résumé
Recent space missions rely more and more on the cooperation between different spacecraft in order to achieve a desired objective. Among the spacecraft proximity operations, the orbital rendezvous is a classical example that has generated a large amount of studies since the beginning of the space exploration. However, the motivations and objectives for the proximity operations have considerably changed. The need for higher autonomy, better security and lower costs prompts for the development of new guidance and control algorithms. The presence of different types of constraints and physical limitations also contributes to the increased complexity of the problem. In this challenging context, this dissertation represents a contribution to the development of new spacecraft guidance and control algorithms. The works presented in this dissertation are based on a structural analysis of the spacecraft relative dynamics. Using a simp! lified model, a new set of parametric expressions is developed for the relative motion. This parametrization is very well suited for the analysis of the geometric properties of periodic relative trajectories and for handling different types of state constraints. A formal connection is evidenced between the set of parameters that define constrained trajectories and the cone of positive semi-definite matrices. This result is exploited in the design of spacecraft relative trajectories for proximity operations, in the impulsive control framework. The resulting guidance algorithms enable the guaranteed continuous constraints satisfaction, while still relying on semi-definite programming tools. The problem of the robustness of the computed maneuvers with respect to navigation uncertainties is also addressed.
La réalisation des missions spatiales repose de plus en plus souvent sur la coopération entre différents engins spatiaux. Parmi les opérations de proximité, ! le rendez-vous orbital est une pratique aussi ancienne que la ! conquête spatiale, qui continue de générer de nombreux travaux de recherche. Cependant, les motivations et les objectifs des récentes missions de rendez-vous orbital ont largement évolués. En effet, les besoins d'une autonomie accrue, d'une sécurité améliorée, d'une plus grande flexibilité et d'une réduction des coûts, constituent autant d'incitations au développement de nouvelles méthodes de guidage et contrôle. La satisfaction de contraintes très variées, dues à des considérations de sécurité ou à des limitations technologiques incontournables des actionneurs ou des capteurs, contribuent à la richesse du problème posé. Dans ce contexte, le développement de nouveaux algorithmes de commande constitue un vrai défi scientifique que cette thèse tente de relever. Les travaux de cette thèse sont basées sur l'analyse structurelle des expressions décrivant le mouvement relatif entre deux véhicules en orbite. Sur la base d'un modèle simplifié, une nou! velle paramétrisation du mouvement relatif est proposée. Celle-ci, particulièrement adaptée à la caractérisation des trajectoires périodiques, offre la possibilité d'une prise en compte de contraintes d'état très variées. Un lien formel est mis en évidence entre les paramètres définissant les trajectoires contraintes et le cône des matrices semi définies positives. Ces résultats sont exploités dans le développement des algorithmes de design de trajectoires pour des opérations de proximité, sous hypothèse de poussée impulsionnelle. Ces algorithmes ont, entre autre, la propriété de permettre la satisfaction des contraintes sur la trajectoire de manière continue dans le temps, tout en utilisant les outils numériques de la programmation convexe. Le problème spécifique de la robustesse des manœuvres aux incertitudes de la chaîne de mesure est aussi abordé dans ce manuscrit. Des approches de type commande prédictive sont mises en place afin de garantir aux opérations une p! récision souhaitée en présence de perturbations.