Initial orbit determination and thrust estimation : an approach with Kalman filters

Nowadays, the attention to sustainability and to the environment has spread not only across the planet but also around it, inducing companies and space agencies to pay more attention to pollution and green energy sources in the process of achieving important missions for space exploration and Earth’s observation. In particular, this last point has become fundamental in latest years, due to the evident effects on our planet of climatic changes and excessive exploitation of resources.As a consequence, the future in space sector is going towards the use of electric propulsion: as examples, ©Airbus has already built 6 all electric satellites and Sitael S.P.A has chosen, for an in-orbit demonstration mission, the use of the electric propulsion, which makes it possible to reduce the mass of satellites, leading to lower launch costs for a given mission and/or a more capable satellite for a given mass.From this global context, expecting more missions relying on these new technologies, the focus of this work is derived: to find, in the very initial part of the mission design, an easy and fast way to study the Orbit Determination (OD) and the relative thrust estimation, through some advanced techniques based on Kalman Filters (KF), in particular the Extended Kalman Filter(EKF) and the Unscented Kalman Filter (UKF).

Al giorno d’oggi, l’attenzione alla sostenibilità ed all’ambiente si è diffusa non solo sul pianeta ma anche intorno ad esso, inducendo aziende e agenzie spaziali a prestare maggiore attenzione all’inquinamento e alle cosiddette fonti di energia verde, per realizzare importanti missioni di esplorazione dello spazio e di osservazione della Terra. In particolare, quest’ultimo punto è diventato fondamentale negli ultimi anni, a causa degli evidenti effetti sul nostro pianeta dei cambiamenti climatici e dell’eccessivo sfruttamento delle risorse. Di conseguenza, il futuro nel settore spaziale guarda verso l’utilizzo della propulsione elettrica: ad esempio, ©Airbus ha già costruito 6 satelliti completamente elettrici e Sitael SPA ha scelto, per una missione dimostrativa in orbita, l’uso della propulsione elettrica, che permetterà di ridurre la massa dei satelliti, portando quindi a minori costi di lancio per una data missione e/o ad un satellite, per una data massa, più capiente. Da questo contesto globale, aspettandosi di avere più missioni basate su queste nuove tecnologie, deriva il focus di questo lavoro: trovare, nella primissima parte del progetto della missione, un modo semplice e veloce per studiare la determinazione dell’orbita (OD) e la relativa stima della spinta, attraverso alcune tecniche avanzate basate sui filtri di Kalman (KF), in particolare l’Extended Kalman Filter (EKF) e l’Unscented Kalman Filter (UKF).