Guidance and navigation algorithm for an inspection mission about a known and uncooperative object

The design of an autonomous inspection mission performed by a deputy around a target object is motivated by the necessity to earn some advantages, making easy and feasible the motion of satellites, removing any human control from ground, both for LEO and for deep space operations. In this thesis, two different mission scenarios are covered: the first is characterized by an unperturbed environment, with the absence of any perturbation, while in the second the gravitational perturbation (J2) is included. These different environments are simulated by the Nonlinear Equations of Relative Motion, working on a LVLH reference frame, while the Hill-Clohessy-Wiltshire equations are adopted by the on-board computer of the deputy. Adopting the natural dynamics for the inspection, fuel costs are minimized and it still presents excellent opportunities to inspect and acquire images of the surface of the target object. The navigation is modeled by using a camera, that provides measurements to the Unscented Kalman Filter (UKF), fundamental tool that offers an estimation of the actual position of the deputy with a certain precision. The merging of these aspects generates a preliminary definition of ConOps, baseline mission concept that is shown in different variants through the gradual development of the algorithm. This updating allows to improve the general results, according to the imposed score. In addition, a further improvement has been obtained trying to make a step forward, with a preliminary overview on the inclined relative orbits. Finally, the time performances of the algorithm are tested on a Raspberry Pi 4 platform to demonstrate the actual functioning on a real satellite.

Il design di una missione di ispezione di un satellite inseguitore attorno ad un satellite bersaglio è motivato dalla necessità di guadagnare alcuni vantaggi, rendendo più semplice e possibile il moto dei satelliti, rimuovendo qualsiasi controllo umano da terra, sia per le operazioni in orbita terrestre bassa, sia per quelle nello spazio profondo. In questa tesi vengono mostrati due scenari di missione: il primo caratterizzato da un ambiente non perturbato, mentre nel secondo è inclusa la perturbazione gravitazionale (J2). Questi diversi ambienti sono simulati tramite le equazioni non lineari del moto relativo, usando il sistema di riferimento LVLH, mentre le equazioni di Hill-Clohessy-Wiltshire vengono adottate per il computer a bordo del satellite inseguitore. Adottando dinamiche naturali per l'ispezione, i costi di propellente sono minimizzati e sono ancora presenti opportunità per ispezionare e acquisire immagini della superficie dell'oggetto bersaglio in modo eccellente. La navigazione è modellata utilizzando una camera, che fornisce misurazioni al filtro (UKF), strumento fondamentale che offre una stima della posizione attuale del satellite inseguitore con una certa precisione. L'unione di questi aspetti genera una definizione preliminare di ConOps, pianificazione delle operazioni della missione che è mostrata in differenti varianti attraverso il graduale sviluppo dell'algoritmo. Questo aggiornamento permette di migliorare i risultati generali, in base ai parametri d'analisi imposti. In aggiunta, un ulteriore miglioramento è stato ottenuto cercando di compiere un passo in avanti, con l'introduzione generale alle orbite relative inclinate. Infine, i tempi computazionali dell'algoritmo sono stati testati su una piattaforma Raspberry Pi 4 per dimostrare il funzionamento su un satellite reale.