Inter-satellite link based relative navigation for spacecraft formation flying

Spacecraft formation flying missions are becoming more and more popular in the current years for different reasons. First, distributed systems allow for increasing the missions' scientific return. Moreover, they enable interferometric, stereoscopic and SAR imaging techniques with unprecedentedly large baselines. Both large formations in Earth orbit or deep-space one fall beyond the capabilities of the traditional ground-based control scheme. Therefore, the interest in autonomous formation maintenance is constantly growing. For this purpose, it is essential to provide a communication channel between the platforms by optical or RF link. This thesis addresses the possibility of using inter-satellite RF link techniques to perform relative navigation in CubeSat formation flying missions. An overview of the available ranging methods is presented along with the mathematical models of the more promising ones, including the inherent signal transmission delays. Moreover, an Extended Kalman Filter for both absolute and relative navigation is developed to assess the accuracy of the selected approaches. These include indirect GNSS and direct one-way ranging. Finally, different mitigation strategies have been developed for the most significant errors, and their impact on performance improvement is assessed. The results show a higher relative navigation accuracy when employing inter-satellite distance measurements with respect to a traditional GNSS-only scheme. Furthermore, it is shown that transmission delays can significantly affect navigation accuracy and that the proposed correction strategy is effective. Lastly, the possibility of performing autonomous relative navigation in LEO with onboard generated signals for one-way ranging has also been confirmed.

Le missioni che impiegano il volo in formazione di veicoli spaziali stanno diventando sempre più popolari negli ultimi anni. In primo luogo, l'impiego di sistemi distribuiti contribuisce ad aumentare il ritorno scientifico delle missioni. Inoltre, essi consentono l'utilizzo di tecniche di imaging interferometrico, stereoscopico e SAR con una distanza di base altrimenti irraggiungibile. Sia le grandi formazioni in orbita terrestre che quelle nello spazio profondo sono al di fuori delle possibilità del tradizionale schema di controllo da terra. Pertanto, l'interesse per il mantenimento autonomo delle formazioni è in costante crescita. A questo scopo, è essenziale fornire un canale di comunicazione tra le piattaforme tramite un link ottico o a radiofrequenza. Questa tesi affronta l'applicabilità di tecniche di collegamento RF intersatellitare per eseguire la navigazione relativa in missioni CubeSat. Viene presentata una panoramica dei metodi di ranging disponibili e i modelli matematici dei più promettenti, comprendenti i ritardi intrinseci di trasmissione del segnale. Inoltre, viene sviluppato un filtro di Kalman esteso per la navigazione assoluta e relativa, al fine di valutare l'accuratezza degli approcci selezionati. Questi includono i cosiddetti GNSS indiretto e ranging diretto unidirezionale. Infine, sono state sviluppate diverse strategie di mitigazione per gli errori più significativi ed è stato valutato il loro impatto sul miglioramento delle prestazioni. I risultati mostrano una maggiore precisione di navigazione relativa rispetto a uno schema tradizionale basato solo sul GNSS quando si aggiungono misure di distanza intersatellitare. Inoltre, si dimostra che i ritardi di trasmissione possono influenzare significativamente l'accuratezza della navigazione e che la strategia di correzione proposta è efficace. Infine, è stata confermata la possibilità di effettuare una navigazione relativa autonoma in LEO con ranging unidirezionale a partire da segnali generati a bordo.