Design and Testing of Clustered Components For Modular Spacecraft Architectures

In recent years, the space industry has demonstrated a renewed interest in multi agent systems, from the deployment of large and mega constellations to the plans to test Federated and in orbit assembly concepts. Furthermore, as the CubeSat platform has become a de-facto standard able to support ambitious missions, the cost for multi agent systems has decreased significantly. The aim of this work is to study the benefits and drawbacks of large multi agent systems which might result from in-space assembly of numerous small autonomous spacecraft. The thesis is divided into two parts; in the first we focus on how to efficiently and reliably control large clusters of actuators spread across a modular assembly. We examine both classical centralized and decentralized methods to solve the allocation of tasks within the clusters and finally propose a novel method, for which we provide proof of convergence and optimality. To characterize it, we simulate a large cluster of reaction wheels using data obtained from a hardware prototype. Compared to traditional methods, we observe reduced power consumption and more robust convergence when applied to large numbers of actuators. Finally, we generalize the model to encompass multiple inputs-multiple outputs systems. While multiple outputs can easily be accounted for, considering multiple inputs has revealed to be very challenging and only weak results are presented. The second part is devoted to exploiting cluster properties during the preliminary design, leveraging both technological features and analytical conditions to improve design optimization methods. Building on the capabilities developed in the first part, namely the existence of an effective method to coordinate large number of actuators reliably, we present an analytical framework to pursue system design and optimization. A long and dry section of the thesis is devoted to the mathematical characterization of the framework and to provide proofs for its main properties. The abstract assumptions needed for the proposed algorithm are examined, and their validity assessed in the case of a CubeSat design procedure. Finally, a minimal computational implementation is described and applied to GOMX4-B mission.

Il settore spaziale sta dimostrando un rinnovato interesse verso concetti basati sull’impiego di sistemi multi-agenti; dallo sviluppo di costellazioni con centinaia di satelliti (mega constellations) a test per architetture federate e dimostratori di assemblaggio in orbita. Inoltre, le piattaforme Cubesat sono ormai uno standard in grado di compiere missioni ambiziose, abbassando quindi il costo di sistemi multi agente. Questo lavoro si propone di studiare i benefici e gli svantaggi di sistemi composti da un grande numero di agenti, quali possono essere degli assemblati in orbita costituiti da innumerevoli satelliti autonomi. Questo documento é diviso in due parti; nella prima ci si concentra su come controllare in maniera affidabile agglomerati composti da un grande numero di attuatori distributi su satelliti diversi. Vengono considerati sia algoritmi centralizzati che decentralizzati per risolvere il problema di allocazione dei compiti; viene infine proposto un nuovo metodo, per il quale vengono fornite dimostrazioni di convergenza. Per caratterizzarne il comportamento, si simula un cluster di ruote di reazione, modellate usando dati ottenuti con un prototipo da laboratorio. In confronto a metodi classici, l’algoritmo proposto mostra un consumo di potenza inferiore e una convergenza piú robusta soprattutto per grandi numeri di attuatori. Infine, si generalizza il modello di attuatore per comprendere anche casi con molteplici input e output. Mentre il caso di molteplici output viene trattato facilmente e differisce di poco dal caso con output singolo, trattare input multipli si é rivelato piuttosto complesso; vengono presentati solo risultati deboli. La seconda parte é dedicata a sfruttare le proprietá dei cluster durante il design preliminare, facendo leva sia su caratteristiche tecnologiche che su proprietá formali per migliorare le procedure di ottimizzazione del desing. Mettendo a frutto i risultati ottenuti nella prima parte, ovvero la capacitá di coordinare in maniera efficace e affidabile un grande numero di attuatori, viene presentato un metodo analitico per l’ottimizzazione di sistema. Una lunga porzione della tesi viene dedicata a dimostrare le proprietá salienti del metodo. Le ipotesi necessarie per applicare il modello vengono esaminate per giudicarne la pretinenza nel caso di design di un cubesat. Infine, una implementazione computazionale viene descritta e applicata alla missione GOMX4-B.