HERMES CubeSat constellation enhancement by novel pointing strategies and cislunar space extension investigation

This thesis aims to develop a novel attitude optimization method to investigate the advantages of extending the HERMES GRB localization constellation to cislunar space. Orbit families in Circular Restricted Three-Body Problem (CR3BP) can provide cheap and efficient trajectories for cislunar elements incorporated into HERMES to improve GRB triangulation accuracy and sky coverage. Promising orbits from different CR3BP orbit families are selected for the constellation extension considering their geometry, station-keeping costs, and ground-visibility. A two-level optimization method tackles the complexity of constellation attitude optimization. It composes a Multi-Agent Path Planning (MAPP) step, followed by an Attitude Shaping optimization. MAPP solves a discrete constellation optimization problem using random and biased sampling methods to create a set of satellite and constellation trees upon which a graph search performs. Besides, for robustness, MAPP incorporates features of the receding horizon method. The attitude shape optimization then recovers the full attitude dynamics using appropriate shape functions. This attitude optimizer estimates the coverage performances of diverse constellation configurations created with combinations of selected orbits. From the set of constellation configuration explored, based on constellation size, L2-NRHO and L4/L5-SPO families are found to be potential constellation orbit candidates. For a three cislunar element extension, such orbits provide up to 35% increased coverage and a 77% reduction in uncertainty. The simulations show a near-linear increase in sky coverage and exponential-decay of triangulation uncertainty with every cislunar element added to the constellation. Further studies performed on the advantages of movable solar panels over fixed panels in cislunar satellites exhibit significant improvement in coverage uncertainty. Simulations estimate up to a 75% reduction in coverage uncertainty for sizable constellations with such solar panels.

L'obiettivo di questa tesi è quello di sviluppare un metodo innovativo di ottimizzazione dell'assetto per indagare i possibili vantaggi di un'eventuale estensione della costellazione HERMES per la localizzazione del GRB nello spazio cislunare. Gruppi di orbite ottenuti con il Circular Restricted Three-Body Problem (CR3BP) possono garantire traiettorie economiche ed efficienti per tutti i satelliti HERMES localizzati nello spazio cislunare, con lo scopo di migliorare l'accuratezza della triangolazione GRB e la copertura della volta celeste. Per poter estendere la costellazione, le orbite più promettenti sono state selezionate dalle famiglie di orbite ottenute dal CR3BP considerandone la geometria, i costi dovuti allo station-keeping e la visibilità da terra. E' stato sviluppato un metodo di ottimizzazione a due livelli per poter affrontare la complessità dovuta all'ottimizzazione dell'assetto dell'intera costellazione. Questo metodo si articola in due fasi: un Multi-Agent Path Planning (MAPP) e una successiva ottimizzazione tramite l'Attitude Shaping. Il MAPP risolve un problema di ottimizzazione discreto della costellazione usando metodi di campionamento influenzati dalle ipotesi selezionate. Questo permette di creare un set di possibili soluzioni sia per ogni satellite sia per l'intera costellazione e su tale set viene compiuta una ricerca tramite grafico. Inoltre, per migliorare la robustezza del metodo, il MAPP include anche delle funzionalità legate al receding horizon method. La successiva ottimizzazione grazie all'Attitude Shaping permette di ottenere la completa dinamica dell'assetto usando appropriate funzioni di forma. Durante questa fase, vengono stimate le performance di copertura delle diverse configurazioni della costellazione, creata combinando le diverse orbite selezionate. Tra le numerose configurazioni esplorate, determinate dal numero di satelliti presenti, le famiglie di orbite L2-NRHO e L4/L5-SPO risultano le candidate piu’ idonee allo scopo. Estendendo la costellazione con tre satelliti nello spazio cislunare, queste nuove orbite permettono di migliorare la copertura della volta celeste fino al 35% e di ridurre, allo stesso tempo, la relativa incertezza del 77%. Le simulazioni mostrano un aumento quasi lineare della copertura della volta celeste e una diminuzione esponenziale dell'incertezza dovuta alla triangolazione per ogni nuovo satellite aggiunto alla costellazione nello spazio cislunare. Ulteriori studi relativi all'implementazione di pannelli solari mobili sui satelliti nello spazio cislunare mostrano, rispetto ai pannelli fissi, miglioramenti significativi nella copertura riducendone, di conseguenza, l'incertezza. Infine, successive simulazioni stimano una riduzione fino al 75% di questa incertezza per costellazioni di satelliti di grandi dimensioni con tali pannelli solari.