TY - JOUR A1 - Kempf, Florian A1 - Scharnagl, Julian A1 - Heil, Stefan A1 - Schilling, Klaus T1 - Self-organizing control-loop recovery for predictive networked formation control of fractionated spacecraft JF - Aerospace N2 - Going beyond the current trend of cooperating multiple small satellites we arrive at fractionated satellite architectures. Here the subsystems of all satellites directly self-organize and cooperate among themselves to achieve a common mission goal. Although this leads to a further increase of the advantages of the initial trend it also introduces new challenges, one of which is how to perform closed-loop control of a satellite over a network of subsystems. We present a two-fold approach to deal with the two main disturbances, data losses in the network and failure of the controller, in a networked predictive formation control scenario. To deal with data loss an event based networked model predictive control approach is extended to enable it to adapt to changing network conditions. The controller failure detection and compensation approach is tailored for a possibly large network of heterogeneous cooperating actuator- and controller nodes. The self-organized control task redistribution uses an auction-based methodology. It scales well with the number of nodes and allows to optimize for continuing good control performance despite the controller switch. The stability and smooth control behavior of our approach during a self-organized controller failure compensation while also being subject to data losses was demonstrated on a hardware testbed using as mission a formation control scenario. KW - networked predictive control KW - fractionated spacecraft KW - controller failure recovery KW - self-organization KW - formation control KW - auction based task assignment Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-288041 SN - 2226-4310 VL - 9 IS - 10 ER - TY - THES A1 - Scharnagl, Julian T1 - Distributed Guidance, Navigation and Control for Satellite Formation Flying Missions T1 - Verteilte Leit- und Regelungsverfahren für Satellitenformationen N2 - Ongoing changes in spaceflight – continuing miniaturization, declining costs of rocket launches and satellite components, and improved satellite computing and control capabilities – are advancing Satellite Formation Flying (SFF) as a research and application area. SFF enables new applications that cannot be realized (or cannot be realized at a reasonable cost) with conventional single-satellite missions. In particular, distributed Earth observation applications such as photogrammetry and tomography or distributed space telescopes require precisely placed and controlled satellites in orbit. Several enabling technologies are required for SFF, such as inter-satellite communication, precise attitude control, and in-orbit maneuverability. However, one of the most important requirements is a reliable distributed Guidance, Navigation and Control (GNC) strategy. This work addresses the issue of distributed GNC for SFF in 3D with a focus on Continuous Low-Thrust (CLT) propulsion satellites (e.g., with electric thrusters) and concentrates on circular low Earth orbits. However, the focus of this work is not only on control theory, but control is considered as part of the system engineering process of typical small satellite missions. Thus, common sensor and actuator systems are analyzed to derive their characteristics and their impacts on formation control. This serves as the basis for the design, implementation, and evaluation of the following control approaches: First, a Model Predictive Control (MPC) method with specific adaptations to SFF and its requirements and constraints; second, a distributed robust controller that combines consensus methods for distributed system control and $H_{\infty}$ robust control; and finally, a controller that uses plant inversion for control and combines it with a reference governor to steer the controller to the target on an optimal trajectory considering several constraints. The developed controllers are validated and compared based on extensive software simulations. Realistic 3D formation flight scenarios were taken from the Networked Pico-Satellite Distributed System Control (NetSat) cubesat formation flight mission. The three compared methods show different advantages and disadvantages in the different application scenarios. The distributed robust consensus-based controller for example lacks the ability to limit the maximum thrust, so it is not suitable for satellites with CLT. But both the MPC-based approach and the plant inversionbased controller are suitable for CLT SFF applications, while showing again distinct advantages and disadvantages in different scenarios. The scientific contribution of this work may be summarized as the creation of novel and specific control approaches for the class of CLT SFF applications, which is still lacking methods withstanding the application in real space missions, as well as the scientific evaluation and comparison of the developed methods. N2 - Die anhaltenden Veränderungen in der Raumfahrt – die fortschreitende Miniaturisierung, die sinkenden Kosten für Raketenstarts und Satellitenkomponenten sowie die verbesserten Rechen- und Steuerungsmöglichkeiten von Satelliten – fördern den Satelliten-Formationsflug (SFF) als Forschungs- und Anwendungsgebiet. SFF ermöglicht neue Anwendungen, die mit herkömmlichen Einzelsatellitenmissionen nicht (oder nicht mit vertretbarem Aufwand) realisiert werden können. Insbesondere verteilte Erdbeobachtungsanwendungen wie Photogrammetrie und Tomographie oder verteilte Weltraumteleskope erfordern präzise positionierte und kontrollierte Satelliten in der Umlaufbahn. Für den SFF sind verschiedene Basistechnologien erforderlich, z. B. Kommunikation zwischen den Satelliten, präzise Lageregelung und Manövrierfähigkeit. Eine der wichtigsten Anforderungen sind jedoch zuverlässige verteilte Leit- und Regelungsverfahren (Guidance, Navigation and Control, GNC). Diese Arbeit befasst sich mit dem Thema der verteilten GNC für SFF in 3D mit dem Schwerpunkt auf Satelliten mit kontinuierlichem, niedrigen Schub (Continuous Low-Thrust, CLT) z.B. mit elektrischen Triebwerken und legt den Fokus hier zusätzlich auf niedrige kreisförmige Erdumlaufbahnen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt jedoch nicht nur auf der Regelungstheorie, vielmehr wird Regelung als Teil des Systementwicklungsprozesses typischer Kleinsatellitenmissionen betrachtet. So werden gängige Sensor- und Aktuatorsysteme analysiert, um ihre Eigenschaften und ihre Auswirkungen auf die Formationskontrolle abzuleiten. Dies dient als Grundlage für den Entwurf, die Implementierung und die Bewertung der folgenden Regelungsansätze: Erstens eine Modellprädiktive Regelung (Model-Predictive Control, MPC) mit spezifischen Anpassungen an die Anforderungen und Beschränkungen des SFFs, zweitens ein robuster Regler, der Konsensmethoden für die Steuerung verteilter Systeme mit robuster $H_{\infty}$-Regelung kombiniert, und schließlich ein kaskadierter Regler, der zur Steuerung die Regelstrecke invertiert und dessen Referenz von einem Referenzregler auf einer optimalen Trajektorie unter Berücksichtigung verschiedener Beschränkungen zum Ziel gesteuert wird. Die entwickelten Regler werden auf der Grundlage umfangreicher Softwaresimulationen validiert und miteinander verglichen. Realistische 3D-Formationsflug-Szenarien wurden der NetSat-Formationsflug-Mission entnommen. Die drei verglichenen Methoden zeigen unterschiedliche Vor- und Nachteile in den verschiedenen Anwendungsszenarien. Der verteilten robusten konsensbasierten Regelung fehlt bspw. die Fähigkeit, den maximalen Schub zu begrenzen, sodass sie nicht für Satelliten mit CLT geeignet ist. Aber sowohl der MPC-basierte Ansatz als auch der auf der Invertierung der Regelstrecke basierende Ansatz sind für CLT SFF-Anwendungen geeignet und weisen wiederum ander Vor- und Nachteile in unterschiedlichen Szenarien auf. Der wissenschaftliche Beitrag dieser Arbeit besteht in der Entwicklung neuartiger und spezifischer Regelungsansätze für die Klasse der CLT-SFF-Anwendungen, für die es noch keine Methoden gibt, die der Anwendung in realen Weltraummissionen standhalten, sowie in der wissenschaftlichen Bewertung und dem Vergleich der entwickelten Methoden. T3 - Forschungsberichte in der Robotik = Research Notes in Robotics - 26 KW - Kleinsatellit KW - Low Earth Orbit KW - Verteiltes System KW - Modellprädiktive Regelung KW - Dezentrale Regelung KW - Satellite Formation Flying KW - Distributed Satellite Systems KW - Low Earth Orbit KW - Model Predictive Control KW - Distributed Control Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-287530 SN - 978-3-945459-42-3 ER - TY - JOUR A1 - Scharnagl, Julian A1 - Kempf, Florian A1 - Schilling, Klaus T1 - Combining Distributed Consensus with Robust H-infinity-Control for Satellite Formation Flying JF - Electronics N2 - Control methods that guarantee stability in the presence of uncertainties are mandatory in space applications. Further, distributed control approaches are beneficial in terms of scalability and to achieve common goals, especially in multi-agent setups like formation control. This paper presents a combination of robust H-infinity control and distributed control using the consensus approach by deriving a distributed consensus-based generalized plant description that can be used in H-infinity synthesis. Special focus was set towards space applications, namely satellite formation flying. The presented results show the applicability of the developed distributed robust control method to a simple, though realistic space scenario, namely a spaceborne distributed telescope. By using this approach, an arbitrary number of satellites/agents can be controlled towards an arbitrary formation geometry. Because of the combination with robust H-infinity control, the presented method satisfies the high stability and robustness demands as found e.g., in space applications. KW - distributed control KW - robust control KW - consensus KW - H-infinity KW - satellite formation flying KW - formation control Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-228431 VL - 8 IS - 319 ER -