Artigo

Integrated architecture for navigation and attitude control of low-cost suborbital launch vehicles

Acta Astronautica

Pedro dos Santos; Paulo Oliveira — 2024 — Elsevier

Informações chave

Autores:

Pedro dos Santos (Pedro Emanuel Moutinho dos Santos); Paulo Oliveira (Paulo Jorge Coelho Ramalho Oliveira)

Publicado em

05/06/2024

Resumo

This paper proposes an integrated architecture for navigation and attitude control of low-cost suborbital launch vehicles, propelled by a solid motor. Single-nozzle, two Degrees-of-Freedom (DoF) Thrust Vector Control (TVC) actuation is adopted. For architecture design purposes, a non-linear, unstable, 6 DoF model for the generic thrust-vector-controlled launcher dynamics and kinematics is deduced, and a linear state-space representation is proposed. The navigation system provides full-state estimates resorting to novel complementary kinematic filters, whose design allows to establish an explicit relation with steady-state Kalman filtering. A globally stable estimation solution is obtained, apart from the singularities arising from the use of Euler angles. The attitude control law is derived from the Linear Quadratic Regulator (LQR) using the state-space models for each linearization point of the reference trajectory, with an integral action (LQI) added to improve robustness and to provide null steady state attitude tracking error. A correction method is proposed to allow for pitch and yaw control in the presence of spinning motion, precluding the need of a supplementary roll control system. The control system is implemented through gain scheduling, resorting to an altitude-based linear parametric varying method. The architecture is implemented in a realistic simulation environment, composed by the 6 DoF non-linear model, the Navigation and Control solutions, and the environmental disturbances, to assess its performance through Monte Carlo simulations. The navigation system is able to provide accurate estimates of the state vector, while the control system satisfies attitude tracking performance and robustness to both external disturbances and model parametric uncertainties.

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Versão da publicação

VoR - Versão publicada

Editora

Elsevier

Ligação para a versão da editora

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0094576524002935

Título do contentor da publicação

Acta Astronautica

Primeira página ou número de artigo

52

Última página

68

Volume

222

DOI

10.1016/j.actaastro.2024.05.039

Domínio Científico (FOS)

mechanical-engineering - Engenharia Mecânica

Palavras-chave

  • Suborbital launch vehicles
  • TVC
  • Attitude control
  • LQR
  • Navigation
  • Kinematic filters

Idioma da publicação (código ISO)

eng - Inglês

Acesso à publicação:

Acesso Aberto

Licença Creative Commons

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Entidade financiadora da bolsa/projeto

Fundação para a Ciência e a Tecnologia

Nome da bolsa/projeto: LAETA base funding

Identificador da Entidade Financiadora: http://dx.doi.org/10.13039/501100001871

Tipo de identificador da Entidade Financiadora: Crossref Funder

Número de bolsa/projeto: UIDB/50022/2020

Entidade financiadora da bolsa/projeto

Fundação para a Ciência e a Tecnologia

Nome da bolsa/projeto: CAPTURE

Identificador da Entidade Financiadora: http://dx.doi.org/10.13039/501100001871

Tipo de identificador da Entidade Financiadora: Crossref Funder

Número de bolsa/projeto: PTDC/EEI-AUT/1732/2020

Entidade financiadora da bolsa/projeto

Fundação para a Ciência e a Tecnologia

Nome da bolsa/projeto: PhD grant

Identificador da Entidade Financiadora: http://dx.doi.org/10.13039/501100001871

Tipo de identificador da Entidade Financiadora: Crossref Funder

Número de bolsa/projeto: 2023.00268.BD