Onboard guidance and control algorithms for increased autonomous aerobraking capabilities in the Martian environment

The desire to push human knowledge and capabilities has led to the launch of dozens of interplanetary missions. To date, one of the most significant limitations of this mission class involves the high energies required by interplanetary transfer. Among the solutions investigated to mitigate this limitation is aerobraking. If the target planet presents an atmosphere, the aerobraking exploits it to gradually dissipate part of the high energy of post Orbit Insertion Maneuvers orbits, enabling the achievement of the science orbit. Seven NASA and ESA missions have successfully performed this maneuver on Mars and Venus, demonstrating its feasibility and effectiveness. However, given the risky nature of aerobraking, an operational burden has emerged. Frequent monitoring and regular coverage by DSN/ESTRACK are required to ensure satellite safety and control the execution of such maneuver. The underlying objective of this thesis is to investigate the possibility of reducing the operational costs of aerobraking by relieving the ground segment's resource utilization. Specifically, the work focuses on automating the orbital control maneuvers required for safe and proper aerobraking execution. To achieve this goal, the operations required to provide the information for the orbital control are implemented, considering the limited resources available onboard. Two control methodologies, differentiated by simplicity and breadth of the prediction horizon, are implemented. The planet selected for their analysis is Mars, which proved to be the most hostile environment from past mission heritage. To test the implemented solutions, a representative model of reality has been set up. High-fidelity atmospheric models have been used to reproduce as accurately as possible the atmospheric variability of the Martian environment, which represents the most challenging aspect to account for aerobraking control purposes. The simulations results are promising and demonstrate that safe aerobraking could be performed relieving ground segment supervision and leveraging more on onboard resources.

Il desiderio di spingere le conoscenze e le capacità umane ha portato al lancio di decine di missioni interplanetarie. Ad oggi, uno dei limiti più significativi di questa classe di missioni è rappresentato dalle elevate energie richieste dal trasferimento interplanetario. Tra le soluzioni studiate per mitigare questa limitazione c'è l’aerofrenaggio. Se il pianeta di destinazione presenta un’atmosfera, l’aerofrenaggio la sfrutta per dissipare gradualmente parte dell’alta energia delle orbite successive all’inserimento orbitale, consentendo il raggiungimento dell’orbita di scienza. Sette missioni NASA ed ESA hanno eseguito con successo la manovra su Marte e Venere, dimostrandone la fattibilità e l’efficacia. Tuttavia, data la natura rischiosa dell’aerofrenaggio, è emerso un carico operativo. Per garantire la sicurezza del satellite durante la manovra sono necessari un monitoraggio frequente e una copertura regolare da parte di DSN/ESTRACK. L’obiettivo di questa tesi è studiare la possibilità di ridurre i costi operative dell’aerobraking alleviando l’utilizzo delle risorse di terra. In particolare, il lavoro si concentra sull’automazione delle manovre di controllo orbitale richieste per un’esecuzione sicura e adeguata dell’aerobraking. Per raggiungere questo obiettivo, vengono implementate le operazioni necessarie a fornire le informazioni per il controllo orbitale, considerando le limitate risorse disponibili a bordo. Vengono implementate due metodologie di controllo, differenziate da semplicità e ampiezza dell’orizzonte di previsione. Il pianeta scelto per l’analisi è Marte, che si è rivelato l’ambiente più ostile dall’esperienza delle missioni passate. Per testare le soluzioni implementate, è stato creato un modello rappresentativo della realtà. Modelli atmosferici fedeli sono stati utilizzati per riprodurre il più accuratamente possibile la variabilità atmosferica dell’ambiente marziano, che rappresenta la caratteristica più sfidante per il controllo dell’aerofrenaggio. I risultati delle simulazioni sono promettenti e dimostrano che si può eseguire un aerofrenaggio sicuro alleviando la supervisione da terra e sfruttando maggiormente le risorse a bordo.