Multiple hypothesis tracking method for autonomous orbit determination of a nanosatellite swarm

In the past 20 years space companies and researchers from all over the world have dedicated an increasing effort in studying nanosatellites. They are small satellites weighting less than 10 kg and they are equipped with off-the-shelf components, characterised by a significantly lower cost with respect to components built for a specific mission. Commercial innovation pushed the development and testing of microelectronics for space applications, helping to tear the cost barrier down and to open the doors of space missions to a wider number of companies. Furthermore, their capability of being launched as piggyback opens up affordable launch opportunities. The drawback of nanosatellites is the limited on-board space that can be allocated to perform science. A possible solution to this drawback is formation flying satellites: multiple satellites with either the same or different individual role, working together to accomplish mission objectives. Such satellite formation is the object of this thesis. It is composed by a mother satellite and a swarm of nanosatellites flying in the proximity of a binary asteroid system. This thesis proposes the Multiple Hypothesis Tracking as a method to autonomously determine satellites’ position and velocity in the case of closely-spaced nanosatellites providing range measurements only. Even if measurements are not sufficient to analytically compute nanosatellites’ state, this method is capable of estimating their full state even when the nanosatellites are so close to each other that their state uncertainty makes their trajectories overlap.

Nel corso degli ultimi 20 anni, agenzie spaziali e ricercatori di tutto il mondo hanno dedicato una sempre crescente attenzione allo studio dei nanosatelliti. I nanosatelliti sono satelliti di dimensioni ridotte, con peso inferiore ai 10 kg ed equipaggiati con componenti prodotte in serie, perciò caratterizzate da un costo inferiore rispetto a quelle sviluppate per una specifica missione. Lo sviluppo della tecnologia ha contribuito all creazione di componenti microelettroniche adatte anche ad applicazioni in ambito spaziale. Questo ha contribuito ad abbattere il problema del costo complessivo di una missione e ad aprire le porte dello spazio ad un maggior numero di compagnie. In più, grazie alle loro ridotte dimensioni, i nanosatelliti hanno la capacità di essere lanciati assieme ad altri satelliti, riducendo drasticamente il costo della fase di lancio. Il limite dei nanosatelliti è rappresentato dal ridotto spazio disponibile a bordo. Una possibile soluzione con cui ovviare a ciò è reppresentata dalle formazioni di satelliti, ovvero più satelliti che lavorano in maniera coordinata per portare a termine la missione. Questi possono avere tutti lo stesso ruolo, o un ruolo diverso all’interno della formazione stessa. L’oggetto di studio di questa tesi è legato ad una formazione di satelliti composta da un satellite madre e da uno swarm di nanosatelliti che orbitano attorno ad un sistema binario di asteroidi. Questa tesi analizza la possibilià di utilizzare un metodo chiamato Multiple Hypothesis Tracking per determinare in modo autonomo ed in tempo reale posizione e velocità dei nanosatelliti, nel caso in cui questi siano molto vicini fra loro e possano fornire misure di sola distanza. Nonostante il tipo di misura generata non sia sufficiente a calcolare analiticamente lo stato dei nanosatelliti, con questo metodo è possibile stimarlo anche nel caso in cui i nanosatelliti dovessero essere così vicini da avere le incertezze sulla loro posizione che si sovrappongono.