Development of control architectures in multi-agent satellite systems for Earth observation services

ilustraciones, fotografías, graficas, mapasLas necesidades de apropiación tecnológica y la estructuración de misiones espaciales en el contexto colombiano traen consigo la demanda de servicios y trabajos colaborativos y especializados, para los diferentes segmentos de un sistema espacial, como bien se está identificando en la estructuración del Programa Espacial Colombiano. Frente a estos derroteros, la presente investigación aborda el reto de apropiación del conocimiento en el diseño de misión, el control del segmento espacial y en especial el reto de proponer estrategias de control a sistemas satelitales multiagente, ya que los sistemas convencionales por su costo, centralización y modos de control conservadores, restringen el desempeño individual y grupal para las nuevas alternativas de sistemas en red que se presentan con los satélites de pequeña escala. En este sentido y mediante el uso de la metodología en V, se abordan los procesos de diseño de misión, así como el diseño de controladores individuales y grupales para la orientación y traslación de satélites en misiones de observación terrestre. Lo anterior con el fin de aprovechar la reducción de costos y flexibilidad operacional que brinda el uso de satélites de pequeña escala; a pesar de su limitada capacidad operacional/física, la cual hace necesario disponer de más de un agente para lograr los objetivos de servicio. Esta necesidad inherente, demanda la posibilidad de interconectar agentes en red y explorar arquitecturas de control con estrategias de cooperación, consenso y técnicas robustas de control en red, que permitan afrontar las no linealidades, incertidumbres y errores que limitan su coordinación y cooperación. Según lo expuesto, se definen diferentes arquitecturas de control frente a perturbaciones, limitaciones de actuación e incertidumbres, donde se identifican y caracterizan parámetros de desempeño individual y grupal ante diferentes tipos de misión, comportamientos adaptativos, políticas de consenso y cooperación, en dos etapas: La primera con el análisis, diseño y desarrollo de misiones, modelos y controladores, útiles para la definición del sistema y las arquitecturas de control formuladas; y la segunda mediante la evaluación e integración de algoritmos de control y consenso, validados con el método de Montecarlo y la aplicación de los índices propuestos como métricas de desempeño de la red. Adicionalmente, se incluye el diseño e implementación de una interfaz gráfica para la instrucción y entrenamiento en el diseño de misión y configuración de agentes, como complemento a los controladores y arquitecturas propuestas para la apropiación de tecnologías de control modernas y el manejo de sistemas satelitales de pequeña escala, como medios para la democratización y el despliegue del concepto del New Space en el territorio colombiano. (Texto tomado de la fuente)The needs for technological appropriation and structuration of space missions in the Colombian context bring with them the demand for collaborative and specialized services and works, for the different segments of a space system, as is being well identified in the structuration of the Colombian Space Program. Facing these objectives, this research addresses the challenge of knowledge appropriation in mission design, space segment control, and especially the challenge of proposing control strategies for multi-agent satellite systems, since conventional systems due to their cost, centralization, and conservative control modes, restrict individual and group performance for the new network system alternatives that come with small-scale satellites. In this sense and using the V methodology, the mission design processes are addressed, as well as the design of individual and group controllers for the orientation and translation of satellites in terrestrial observation missions. The foregoing to take advantage of the cost reduction and operational flexibility provided using small-scale satellites; despite its limited operational / physical capacity, which makes it necessary to have more than one agent to achieve service objectives. This inherent need demands the possibility of interconnecting agents in the network and exploring control architectures with cooperation strategies, consensus, and robust network control techniques, which allow facing the non-linearities, uncertainties and errors that limit their coordination and cooperation. According to the above, different control architectures are defined against disturbances, actuation limitations and uncertainties, where individual and group performance parameters are identified and characterized in front of different types of mission, adaptive behaviors, consensus and cooperation policies, in two stages: The first with the analysis, design and development of missions, models and controllers, useful for defining the system and formulated control architectures; and the second through the evaluation and integration of control and consensus algorithms, validated with the Montecarlo method and the application of the indexes proposed as network performance metrics. Further, the design and implementation of a graphical interface for instruction and training in mission design and agent configuration is included, as a complement to the controllers and architectures proposed for the appropriation of modern control technologies and the management of small-scale satellite systems, as means for the democratization and deployment of the New Space concept in Colombian territory.DoctoradoDoctor en IngenieríaIngeniería de Automatización, Control y Mecatrónic