Bearing-only strategies for proximity navigation on cislunar orbits

The last decade has experienced a worldwide consolidation of numerous Moon related space missions to develop and advance the technologies required for a future exploration of Mars. Among those, NASA’s Artemis program plays a dominant role, with its Lunar Orbital Platform Gateway (LOP-G) to operate as long-term modular infrastructure in deep-space. To successfully assembly and operate the Gateway, autonomous rendezvous, docking and undocking capabilities on non-keplerian orbits are required. However, despite a great deal of experience on guidance, navigation, and control techniques for rendezvous in LEO has been gained through the ISS programme, no proximity operation has been autonomously performed so far in the non-keplerian regime. In this context, the present work focuses on assessing the applicability of bearing-only navigation to perform proximity operations in the cislunar domain. This technique estimates the relative state of an observer by measuring through a single optical camera the line-of-sight angles to the target. Although this navigation solution requires simple, cheap, and lightweight navigation sensors, its application in the space environment has been sparsely studied because of inherent limitations in estimating the range. Using as a baseline existing researches in LEO, this thesis deeply investigates the impact of unobservabiity over the navigation quality in the non-keplerian regime and extends the results to any system that admits a discrete-time solution. In addition, it presents a framework to enable the implementation of computationally efficient Model Predictive Control (MPC) strategies in the Earth-Moon system. A GNC architecture based on a Shrinking Horizon - MPC algorithm is proposed to synthetise a rendezvous trajectory, together with a novel approach to favour the target observability while respecting traditional rendezvous requirements. The results of a dedicated numerical testing campaign are presented to highlight the robustness of the proposed algorithm and its capability to meet safety and navigation requirements throughout the whole relative approach. Moreover, this thesis also offers an extensive sensitivity analysis to compare the effects of various degree of approximation on the estimation and guidance processes. Finally, the same architecture is exploited to perform relative navigation between flying distant heterogeneous non-keplerian orbits. The outcomes of this work demonstrate the applicability of bearing-only navigation to a large set of potential near-future missions in the cislunar environment, from small satellites as a primary navigation solution to a backup strategy for larger spacecraft.

L'ultima decade ha visto il consolidamento di numerose missioni lunari col fine di sviluppare le tecnologie richieste per una futura esplorazione di Marte. Tra i vari progetti, il programma Artemis di NASA svolge un ruolo cruciale, assieme allo sviluppo del Lunar Orbital Platform Gateway (LOP-G), una struttura spaziale pensata per essere l’evoluzione della ISS nello spazio profondo. Per garantire l’assemblaggio e l’operatività della stazione, è necessario consolidare le capacità di rendezvous e docking/undocking in orbite non-kepleriane. Tuttavia, sebbene la ISS abbia permesso di migliorare notevolmente le tecniche di guida, navigazione e controllo in orbita terrestre, nessuna missione spaziale ha compiuto in maniera autonoma operazioni di prossimità nel regime non-kepleriano. In questo contesto, lo scopo di questo lavoro è di valutare la possibilità di sfruttare la navigazione bearing-only per compiere operazioni di prossimità in ambiente cislunare. Questa tecnica stima lo stato relativo di un osservatore misurando gli angoli della linea di vista rispetto ad un altro velivolo. Nonostante i sensori di navigazione necessari siano semplici ed economici, l’utilizzo del bearing-only nel campo spaziale è stato studiato solo parzialmente a causa dell’impossibilità di determinare la distanza relativa tra i due oggetti. Sfruttando degli studi compiuti in orbita terrestre bassa, questa tesi indaga l’impatto dell’inosservabilità sulla qualità della navigazione in regimi non-kepleriani ed estende i risultati a qualunque sistema che ammetta una soluzione in forma discreta. In aggiunta, viene mostrato come sia possibile implementare nel sistema Terra-Luna, strategie di Model Predictive Control (MPC) che risultino computazionalmente efficienti. Successivamente, un’architettura di GNC basata su un MPC con Shrinking Horizon è proposta per sintetizzare un profilo di guida assieme ad un metodo innovativo per favorire l’osservabilità della traiettoria di rendezvous. I risultati di una campagna di validazione numerica sono presentati per sottolineare la robustezza dell’algoritmo proposto e la sua capacità di soddisfare i requisiti standard di sicurezza e navigazione. In aggiunta, gli effetti che vari gradi di approssimazione della dinamica hanno sia sulla qualità della navigazione che della guida sono quantificati tramite un’estensiva analisi di sensitività. Infine, la medesima architettura è sfruttata per la navigazione relativa fra satelliti distanti situati in orbite eterogenee non-kepleriane. Gli esiti di questo lavoro dimostrano la possibilità di utilizzare la navigazione bearing-only per un vasto numero di missioni nell’ambiente cislunare, sia come sistema di navigazione primario per cubesats che come strategia di back-up per satelliti di grandi dimensioni.