Implementation of a virtual reality tool to design and study space debris collision avoidance manoeuvres

This thesis presents the work behind the development and implementation of a Virtual Reality prototype software to study and design Collision Avoidance Manoeuvres (CAMs). Nowadays, the Space Debris problem has become very relevant due to the growth of space traffic and main orbital regions congestion (especially Low Earth Orbits and Geostationary Orbits). As a consequence, the interest by mission operators in tools that can help facing it is also increasing. With this context as background, the objective is to show in an interactive and immersive way how one of the solutions typically adopted to confront this issue can be approached. The data about catalogued space objects, available on public databases online, are re-organised in advance and exploited by Godot game engine to give a faithful representation of the real situation around the Earth. Then, two case studies, created by combining public conjunction data messages and covariance values from a conjunction dataset publicly published by the European Space Agency, are utilised to develop a scene that enables the user to design a CAM and retrieve the main outputs. The models implemented are fully analytical, to relieve the computational costs required to the Head Mounted Display, hardware used for the application visualisation. The first one maximises the miss distance between target and chaser, while the second one minimises the probability of collision between them. Both of them require the user to give as input the maximum available impulse magnitude and the time between manoeuvre beginning and Close Approach. With the right resources, this project can become in the future a more detailed software that allows operators to work in advance on their spacecrafts' problems related to the environment surrounding them from a completely new and more engaging perspective.

Questa tesi presenta il lavoro dietro lo sviluppo e l'implementazione di un prototipo di software atto allo studio e alla progettazione di Manovre di Anticollisione in Realtà Virtuale. Al giorno d'oggi, il problema dei Detriti Spaziali è diventato piuttosto rilevante a causa dell'aumento del traffico spaziale e del sovraffollamento delle principali regioni orbitali (specialmente orbite terrestri basse e geostazionarie). Come conseguenza, l'interesse da parte degli operatori in merito a strumenti che possano aiutare ad affrontare il problema sta crescendo. In questo contesto, l'obiettivo è di creare un modo interattivo e immersivo di approcciare una delle soluzioni tipiche per trattare la questione. I dati riguardanti oggetti spaziali catalogati, disponibili su database online pubblici, sono rielaborati e utilizzati all'interno della game engine Godot per fornire una fedele rappresentazione della situazione attorno alla Terra. Successivamente, due casi studio, creati combinando informazioni pubbliche riguardo possibili collisioni tra due oggetti e valori di incertezze scelti da un set di dati riguardo possibili collisioni pubblicato dall'Agenzia Spaziale Europea, sono utilizzati per lo sviluppo di una scena che calcoli e mostri una Manovra di Anticollisione. I modelli implementati sono completamente analitici per alleviare i costi di calcolo del visore portatile, hardware su cui l'applicazione viene eseguita. Il primo ha come scopo la massimizzazione della distanza tra i due oggetti nella posizione di incontro; il secondo invece la minimizzazione della probabilità di collisione. Entrambi richiedono all'utente di impostare il massimo modulo dell'impulso disponibile e il tempo tra l'inizio della manovra e la collisione attesa. Con le giuste risorse, questo progetto può ambire a diventare in futuro un applicazione più dettagliata che aiuti gli operatori a lavorare in anticipo e con una nuova e più coinvolgente prospettiva su possibili problemi dei loro satelliti causati dall'ambiente a loro circostante.