Optimisation of kinetic impactor trajectory through guidance navigation and control during asteroid approach phase

Asteroids are one of the most common celestial bodies that populate our solar system; some of them come close to Earth and are identified as Near Earth Objects (NEO). The effects that an impact of one of these objects could cause to Earth, have stimulated the scientific community to investigate possible solutions to avoid this threat. One possible technology for asteroid deflection and the highest in technology readiness level is the kinetic impactor strategy: it consists of a spacecraft that is inserted in route of collision with a threatening asteroid and exploits very high relative velocities between spacecraft and NEO to impart a momentum to deviate the orbit of the target. This thesis focuses on the development of a general tool to optimise the orbit of the impactor by including in the optimisation loop a simulation of the guidance and control that the spacecraft would perform in a real scenario. Moreover, this tool can deal with different dimensions, shapes and orbits of a target NEO. During the optimisation, the guidance and control take advantage of synthetic images of the asteroid that are generated and processed to obtain realistic measurements. From the real time simulation of the approaching phase towards the asteroid, the impact point and the momentum variation achieved are computed; the momentum variation of the NEO obtained is compared with the theoretical one via a parameter of merit called efficiency of impact. Without loss of generality, the developed tool is tested on the object 2010RF12, an asteroid currently in the risk list of the NEOs with the highest probability of impact with the Earth. Results show that the developed tool is capable of optimise the orbit of the spacecraft also including the simulation of the approach phase to the asteroid.

Gli asteroidi sono alcuni degli oggetti celesti più comuni che popolano il nostro sistema solare; alcuni di loro passano vicino alla Terra e sono identificati come Near Earth Objects (NEO). Gli effetti che un impatto con uno di questi oggetti potrebbe causare alle Terra, ha spinto la comunità scientifica a investigare le possibili soluzioni per evitare questo rischio. Una possibile tecnologia per deviare asteroidi and quella già disponibile a livello tecnologico, è la strategia dell'impattatore cinetico; si tratta di una sonda spaziale che è inserita in rotta di collisione con l'asteroide e sfrutta una velocità relativa molto alta per impartire al bersaglio abbastanza momento per deviarne l'orbita. Questa tesi si focalizza sullo sviluppo di uno strumento generale per ottimizzare l'orbita dell'impattatore includendo nel processo di ottimizzazione la simulazione della guida e del controllo che la sonda compierebbe in uno scenario reale. Inoltre, questo strumento può far fronte a diverse dimensioni, forme e orbite di un NEO bersaglio. Durante l'ottimizzazione, il sistema di guida utilizza immagini sintetiche dell'asteroide che sono generate e processate per ottenere misure realistiche. Dalla simulazione in tempo reale della fase di approccio verso l'asteroide, vengono calcolati il punto di impatto e la variazione del momento dell'asteroide; essa viene poi confrontata con la variazione di momento teorica attraverso un parametro di merito chiamato efficienza dell'impatto. Senza perdita di generalità, lo strumento sviluppato è testato sull'oggetto celeste 2010RF12, un asteroide attualmente prensente nella lista di rischio dei NEO che hanno la più alta probabilità di un impatto con la Terra. I risultati mostrano che lo strumento sviluppato è in grado di ottimizzare l'orbita della sonda spaziale includendo la simulazione della fase di approccio all'asteroide.