Enhancing onboard orbit propagation : a deep dive into FPGA capabilities

Deep-space missions heavily rely on ground stations and human involvement to determine the spacecraft position via radiometric tracking and plan the maneuvers execution to allow the satellite to reach its target orbit. These operations are usually defined as Guidance, Navigation, and Control (GNC). However, this traditional approach presents scalability challenges as the number of deep-space assets increases rapidly. The delays and costs associated with ground control became overwhelming, necessitating a shift towards autonomous GNC operations, where the operations are performed directly on board, hence limiting the need for communications with ground and hence mission costs. In the realm of space exploration and deep-space missions, where precise trajectory predictions are essential, the ability to propagate an object's orbit quickly and accurately becomes indispensable. Rapid and reliable orbit propagation is key for performing precise orbit determination and to predict the spacecraft future trajectory, aiding in navigation and ensuring mission success. Power efficiency is also a vital consideration in space missions, where resources are often scarce. Optimizing the orbit propagation process to consume minimal power is fundamental as the available power is limited and hence an efficient utilization of onboard resources is mandatory. Efforts are therefore focused on developing specialized hardware, such as Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs), that can efficiently handle the demanding computations involved in orbit propagation. FPGAs offer the potential for high-speed processing with reduced power consumption, making them well-suited for onboard satellite computing. This thesis uses the PYNQ-Z2 as a showcase to explore the possibilities of orbit propagation acceleration onto FPGAs. Different orbit scenario are analyzed, to validate and estimate the performance of FPGA-based orbit propagation, showing a gain of 76% wrt to CPU-based computation.

Le missioni nello spazio profondo si basano principalmente su stazioni terrestri e coinvolgimento umano per determinare la posizione del veicolo spaziale tramite il tracciamento radiometrico e pianificare l'esecuzione delle manovre per consentire al satellite di raggiungere la sua orbita di destinazione. Queste operazioni sono generalmente definite come Guida, Navigazione e Controllo (GNC). Tuttavia, questo approccio tradizionale presenta sfide di scalabilità a causa dell'aumento rapido del numero di risorse nello spazio profondo. I ritardi e i costi associati al controllo da terra stanno diventando significativi, rendendo necessaria una transizione verso sistemi GNC autonomi, dove le operazioni vengono svolte direttamente a bordo, limitando quindi la necessità di comunicazioni con la terra e riducendo i costi della missione. Nell'ambito dell'esplorazione spaziale e delle missioni nello spazio profondo, dove la previsione accurata delle traiettorie è fondamentale, diventa indispensabile avere la capacità di propagare rapidamente e accuratamente l'orbita di un oggetto. La propagazione rapida e affidabile dell'orbita è fondamentale per eseguire una determinazione dell'orbita precisa e per predire la futura traiettoria del veicolo spaziale, agevolando la navigazione e garantendo il successo delle missioni. L'efficienza energetica rappresenta anche un fattore cruciale nelle missioni spaziali, dove le risorse sono spesso limitate. L'ottimizzazione del processo di propagazione dell'orbita per ridurre il consumo energetico a bordo è fondamentale. A tal fine, sono in corso diversi sforzi nello sviluppo di hardware specializzato, come le FPGA (Field-Programmable Gate Arrays), che sono in grado di gestire in modo efficiente i calcoli complessi necessari per la propagazione dell'orbita. Le FPGA offrono l'opportunità di elaborare i dati ad alta velocità con un consumo energetico ridotto, rendendole adatte per l'elaborazione a bordo dei satelliti. La tesi in questione fa uso della PYNQ-Z2 come esempio per esplorare le possibilità di accelerazione della propagazione dell'orbita utilizzando le FPGA. Vengono analizzati diversi scenari orbitali per convalidare e stimare le prestazioni della propagazione dell'orbita basata su FPGA, mostrando un guadagno del 76% rispetto al calcolo basato su CPU.