Deep-space pulsar-based autonomous navigation

The vast majority of space missions relies on radiometric tracking and Earth-based observations to perform the orbit determination which is usually carried out on ground. This comes at the expense of operations’ costs and limited accuracy when the distance from the Earth observing station increases, posing a limit to the human capability of space exploration. These limitations could be overcome with the Pulsar-based autonomous navigation technique presented in this work. The idea behind this navigation method can be formulated by assuming the possibility to predict with accuracy the time when a pulsed signal from an infinitely distant source arrives in a specific known point. If a model to predict it is available, then, by timing the arrival of this signal at an unknown location, it is possible to have a measure of the distance between it and the reference point along the source direction. This source must have a pulsed nature and must be very distant from the Solar System; luckily one kind of celestial object that matches these characteristics can be found in nature and it is identified in the Pulsars. With the development of a state space model of the spacecraft’s dynamics suitable for use within an Unscented Kalman Filter, the information contained in the signal arrival time can be exploited to increase the accuracy of the navigation solution. Several issues are connected to the acquisition of this measurement, in particular, since its generation is related to when a specific signal arrives, timing features have to be dealt with carefully, and this work will show that their treatment is not trivial. The thesis will discuss the analysis of the Physics behind Pulsars and their possible exploitation for developing a navigation model and shows that autonomous deep-space navigation could be achieved with comparable or better accuracy than the currently available methods. For this purpose three cases will be considered for simulation, the NASA’s deep-space missions of New Horizons and Voyager 2, and the LUMIO’s Cubesat mission. For the latter, a Pulsar will be artificially simulated and by the analysis of its signal a measure will be generated and processed.

La maggior parte delle missioni spaziali si è da sempre affidata a misure di natura radiometrica e ad osservazioni angolari condotte a terra per poter ricostruire l’orbita di un dato satellite. Ciò comporta elevati costi legati alla gestione e al mantenimento degli impianti a terra. L’accuratezza di questo tipo di misure è inoltre affetta da un’incertezza che aumenta con l’allontanarsi dalla Terra. Queste limitazioni possono essere superate con la Navigazione autonoma basata sull’utilizzo di Pulsar presentata in questo lavoro. L’idea alla base nasce dalla possibilità di prevedere con precisione l’arrivo di un segnale proveniente da una sorgente a distanza infinita in un noto punto dello spazio. Se ciò fosse possibile, allora, cronometrando l’arrivo del segnale in una posizione sconosciuta, una misura della distanza lungo la direzione di arrivo del segnale tra questa e il punto definito precedentemente, potrebbe essere ottenuta. Affinché questo sia possibile, la sorgente considerata deve avere una componente pulsante molto stabile ed essere molto distante dal Sistema Solare; fortunatamente in natura esistono particolari stelle con caratteristiche simili, le Pulsar. L’informazione contenuta nel tempo di arrivo del segnale può dunque essere utilizzata per aumentare la conoscenza della posizione del satellite con l’utilizzo di un filtro di Kalman Unscented. Dal momento che l’informazione è ottenuta dal confronto del tempo di arrivo di un segnale in punti diversi dello spazio, particolare attenzione va riservata al fatto che il tempo in generale non è assoluto e la sua misura solitamente è affetta da errori. La tesi presenta un’analisi della fisica delle Pulsar e il loro possibile utilizzo nello sviluppo di un modello di navigazione, e dimostra che una navigazione autonoma nello spazio profondo con performance paragonabili o migliori rispetto a quelle ottenibili con i metodi attualmente usati è possibile.Tre casi studio sono considerati, le due missioni NASA New Horizons e Voyager 2 e la missione Cubesat LUMIO per la quale una Pulsar verrà simulata artificialmente così che l’intera catena di processo del segnale possa essere utilizzata per generare la misura.