Enhanced autonomy in GNC for spacecraft with limited observability operating in lunar environment

Autonomy in spacecraft Guidance Navigation and Control (GNC) is an ever-growing topic in both academic and industrial research, due to the vast possibilities that it can enable in terms of mission concepts and operational costs. The work presented in this thesis explores different strategies to support the enhancement of on-board autonomy in the GNC tasks in view of the future challenges that the lunar environment will present, considering scenarios without complete observability imposed by reduced sensor utilisation or by the constraints of a small-sized navigation constellation. Three different scenarios are investigated, studying, implementing and testing GNC architectures to address the problem of spacecraft autonomy in various dynamical conditions of proximity manoeuvring, natural motion and landing. The objective of pushing towards spacecraft autonomy is indeed a key point to unlock the exploitation of more intelligent and adaptive platforms, which, related to the tendency to move more and more towards distributed and smaller systems, needs to be deeply investigated. Such approach, entailing small satellites in constellations or formation flying contexts, provide cheaper and more versatile solutions in general, but not in the operational costs, unless a higher level of autonomy is given to the systems. The GNC tasks are deeply involved in this considerations, recalling that the state-of-the-art for most of the spacecraft is to completely rely on ground intervention to run the Flight Dynamics routines, i.e. performing the Orbit Determination (OD) and scheduling and commanding the required orbital manoeuvres. The exploitation of small platforms however is accompanied, in general, with reduced sensor suites and computational power, reason for which specific low-observability navigation techniques are to be targetted, relevant also for larger platforms in contingency scenarios. The next decades of space exploration will also be deeply influenced by the renewed interest in the Moon, target of many international programmes aiming at providing the basis for a stable human presence in this environment. Such activities will provide both scientific and technological advancements in the understanding of our natural satellites and in our capability to survive and remain on its surface. Two promising infrastructures that are currently being studied with joint international efforts are the Lunar Orbital Platform - Gateway (LOP-G) and a communication and navigation constellation around the Moon. The former project will be a new orbital outpost to host astronauts in the cislunar environment. In particular the chosen trajectory on a Near Rectilinear Halo Orbit (NRHO) will represent an interesting playground for the validation of some autonomous relative GNC algorithms needed by possible chasing spacecraft looking to either reach the Gateway or fly in formation cooperatively with it. A lunar constellation will instead be a great opportunity in particular to increase the autonomy from ground-based navigation for both surface and orbital users, resulting in a lunar-centric Global Navigation Satellite System (GNSS) service. The work presented in this thesis focuses on considering these two infrastructure as opportunities to study Earth-autonomous GNC strategies, which can contribute to the exploitation of such potential. Two scenarios of spacecraft flying in proximity to the LOP-G are presented first, where two missions of autonomous rendezvous and manoeuvring in formation flying are considered. The associated GNC schemes have been analysed considering a limited observability scenario where only relative angular measurements are retrieved to perform navigation. The recorded performance is promising and showing the boundaries of applicability of performing complex and mission critical tasks with such estimation architecture. The third scenario instead provides first a strategy to help the design of a small-sized lunar constellation, entailing different objectives and users to assist. Then, various optimised constellations are tested including the orbital and landing users' filtering architectures, extracting insights on the state estimation achievable and its capability to support critical GNC tasks. The results obtained showed navigation capabilities good enough to enable correct execution of missions in the low lunar orbital region including the complex task of performing a controlled landing at the South Pole. To provide a higher formulation robustness, the filters involved have been also deployed and run on embedded hardware, validating their implementation through Processor-In-the-Loop (PIL) testing.

L'autonomia dei veicoli spaziali per Guida, Navigazione e Controllo (GNC) è un argomento in continua crescita sia nella ricerca accademica che in quella industriale, grazie alle vaste possibilità che può offrire in termini di scenari di missione e costi operativi. Il lavoro presentato in questa tesi esplora diverse strategie per supportare il potenziamento dell'autonomia di bordo nei compiti del GNC in vista delle sfide future che l'ambiente lunare presenterà, considerando scenari privi di completa osservabilità imposti da un ridotto utilizzo dei sensori o dai vincoli di una costellazione di navigazione di piccole dimensioni. Vengono analizzati tre diversi scenari, studiando, implementando e testando architetture di GNC per affrontare il problema dell'autonomia del veicolo spaziale in varie condizioni dinamiche di manovra di prossimità, movimento naturale e atterraggio. L'obiettivo di puntare verso l'autonomia dei veicoli spaziali è infatti un punto chiave per sbloccare lo sfruttamento di piattaforme più intelligenti e adattive che, in relazione alla tendenza a muoversi sempre più verso sistemi distribuiti e più piccoli, deve essere studiato a fondo. Un approccio di questo tipo, che prevede l'impiego di piccoli satelliti in costellazioni o in contesti di volo in formazione, fornisce soluzioni più economiche e versatili in generale, ma non nei costi operativi, a meno che non si dia ai sistemi un livello di autonomia più elevato. I compiti del GNC sono profondamente coinvolti in queste considerazioni, ricordando che lo stato dell'arte per la maggior parte dei veicoli spaziali è quello di affidarsi completamente all'intervento di terra per eseguire le routine di dinamica del volo, eseguire la Determinazione Orbitale (OD) e programmare e comandare le manovre orbitali richieste. Lo sfruttamento di piattaforme di piccole dimensioni è tuttavia accompagnato, in generale, da suite di sensori e potenza di calcolo ridotte, motivo per cui è necessario puntare su tecniche specifiche di navigazione a bassa osservabilità, rilevanti anche per piattaforme più grandi in scenari di emergenza. I prossimi decenni di esplorazione spaziale saranno anche profondamente influenzati dal rinnovato interesse per la Luna, obiettivo di molti programmi internazionali che mirano a fornire le basi per una presenza umana stabile in questo ambiente. Tali attività forniranno progressi scientifici e tecnologici nella comprensione del nostro satellite naturale e nella nostra capacità di sopravvivere e rimanere sulla sua superficie. Due infrastrutture promettenti che sono attualmente in studio con sforzi internazionali congiunti sono la piattaforma orbitale lunare - Gateway (LOP-G) e una costellazione di comunicazione e navigazione intorno alla Luna. Il primo progetto sarà un nuovo avamposto orbitale per ospitare astronauti nell'ambiente cislunare. In particolare, la traiettoria scelta su un'orbita halo quasi rettilinea (NRHO) rappresenterà un interessante terreno di prova per la validazione di alcuni algoritmi autonomi di GNC relativo, necessari a eventuali veicoli spaziali inseguitori che vogliano raggiungere il Gateway o volare in formazione in cooperazione con esso. Una costellazione lunare sarà invece una grande opportunità, in particolare per aumentare l'autonomia dalla navigazione terrestre sia per gli utenti di superficie che per quelli orbitali, dando vita a un servizio di Global Navigation Satellite System (GNSS) incentrato sulla Luna. Il lavoro presentato in questa tesi si concentra sul considerare queste due infrastrutture come opportunità per studiare strategie di GNC autonomo dalla Terra, che possono contribuire allo sfruttamento di questo potenziale. Vengono prima presentati due scenari di veicoli spaziali che volano in prossimità del LOP-G, dove vengono considerate missioni di rendezvous autonomo e di manovra in formazione. Gli schemi GNC associati sono stati analizzati considerando uno scenario di osservabilità limitata in cui vengono recuperate solo le misure angolari relative per eseguire la navigazione. Le prestazioni registrate sono promettenti e mostrano i limiti di applicabilità dell'esecuzione di compiti complessi e critici per la missione con tale architettura di stima. Il terzo scenario, invece, fornisce innanzitutto una strategia per aiutare la progettazione di una costellazione lunare di piccole dimensioni, con diversi obiettivi e utenti da assistere. In seguito, sono state testate varie costellazioni ottimizzate, comprese le architetture di filtraggio degli utenti orbitali e di atterraggio, estraendo informazioni sulla stima di stato ottenibile e sulla sua capacità di supportare compiti critici del GNC. I risultati ottenuti hanno mostrato capacità di navigazione sufficientemente buone da consentire la corretta esecuzione di missioni nella regione orbitale lunare bassa, compreso il complesso compito di eseguire un atterraggio controllato al Polo Sud. Per garantire una maggiore robustezza della formulazione, i filtri coinvolti sono stati implementati ed eseguiti anche su hardware embedded, convalidando la loro implementazione attraverso test Processor-In-the-Loop (PIL).