Single and multi-spacecraft solutions for the gravity field determination of irregular bodies

The growing interest around asteroids goes beyond scientific purposes. Besides the comprehension of the Solar System formation stages, scientists and institutions are investigating asteroid deflection strategies for planetary defence reasons, as well as enabling technologies for asteroid resources exploitation. In this context, the accurate knowledge of the gravity field of these natural bodies represents a leading aspect to enable in locus space operations. The focus of this dissertation is to propose novel multi-satellite methods to investigate the gravity field of small Solar System bodies. Six distinct techniques based on the resolution of the non-linear least-squares method are reported and analysed. The methods, which include newly developed hybrid methods, mostly result in successful and accurate gravity field estimations. A sensitivity analysis of the problem variables has been performed, for both Earth-orbiting and asteroid-orbiting satellites, leading to insightful outcomes. This research addresses several strategies for multi-spacecraft gravity field determination and explores the benefits of these techniques. One method, based on the simultaneous utilisation of independently propagated orbits, showed a remarkable improvement of the solution, even with a limited number of satellites. The second approach, particularly suitable for a closely co-orbiting swarm of satellites, succeeds to identify and reject the inaccurate solutions from a batch of distinct gravity field estimations, employing outlier detection and elimination techniques. Finally, a preliminary analysis on the propagation precision allowable by relative orbital motion formulations is shown, with the aim of future gravity estimation applications for close formation flying satellites. All these techniques offer very advantageous features for the gravity field determination compared to classical methods, and are particularly well suited for asteroid missions.

Il crescente interesse per gli asteroidi va oltre gli scopi puramente scientifici. In aggiunta allo studio delle fasi di formazione del Sistema Solare, scienziati e organizzazioni stanno analizzando strategie di deviazione degli asteroidi per scopi di difesa planetaria, nonché ideando tecnologie per lo sfruttamento delle risorse degli asteroidi. In questo contesto, l'accurata conoscenza del campo gravitazionale rappresenta un aspetto fondamentale per consentire ogni possibile operazione spaziale. L'obiettivo di questa tesi di laurea è proporre nuovi metodi per misurare con più satelliti il campo di gravità dei corpi celesti minori del Sistema Solare. Sono riportate e analizzate sei tecniche distinte basate sulla risoluzione del problema non lineare ai minimi quadrati. I metodi analizzati, che includono metodi ibridi di nuova concezione, portano generalmente a stime accurate e con esito positivo del campo di gravità. È stata eseguita un'analisi di sensibilità delle variabili del problema, sia per i satelliti in orbita attorno alla Terra sia per quelli in orbita attorno agli asteroidi, portando a risultati significativi. Questa ricerca esplora diverse strategie per la determinazione del campo gravitazionale con più satelliti ed analizza i vantaggi di queste tecniche. In particolare, sono stati ideati due diversi metodi per la determinazione del campo di gravità attraverso più veicoli spaziali. Uno di questi, basato sull'utilizzo simultaneo di orbite propagate in modo indipendente, ha mostrato un notevole miglioramento della soluzione, anche con un numero limitato di satelliti. Il secondo approccio, particolarmente adatto per uno sciame di satelliti co-orbitanti, riesce a identificare e scartare le soluzioni inaccurate da una serie di stime distinte del campo di gravità, impiegando tecniche di rilevazione ed eliminazione delle soluzioni anomali. Infine, viene riportata un'analisi preliminare sulla precisione di propagazione ottenuta con le equazioni di moto orbitale relativo, con l’obiettivo di future applicazioni per la stima di campi di gravità per satellite in formazione ravvicinata. Tutte queste tecniche offrono caratteristiche molto vantaggiose per la determinazione del campo di gravità rispetto ai metodi classici e sono particolarmente adatte per le missioni presso asteroidi.