Crosslink proximity navigation in small-body dynamics: performance assessment and optimization

As the goals of space exploration grow more ambitious, spacecraft design needs to evolve towards increasing the level of autonomy of the platform. LiAISON, an autonomous navigation method developed in recent years to estimate the absolute position and velocity of satellites through crosslink measurements thanks to the peculiarities of asymmetric acceleration fields, is part of the effort to answer this demand. Now that a few missions based on LiAISON are in advanced design stages, the question to be answered is whether this strategy is being exploited to its fullest potential. Considering the test cases reported in the literature, the purpose of this work is to test LiAISON in a binary asteroid system, which presents a different dynamics with additional perturbations. The performances of this navigation method, which is approached through a batch filter, are then compared with those obtained in the cislunar environment. Furthermore, a sensitivity analysis to the most relevant parameters for navigation is performed to understand their impact and explore opportunities for optimization. In this respect, two strategies are then proposed: the first one concerning batch window length and the second one concerning the measurement acquisition frequency. LiAISON proved to be robust to in its application to a different environment and batch filtering was demonstrated to be a valid choice. Optimization in terms of batch window length showed promising results in providing higher performances compared to fixed window navigation. It was also concluded that it would be possible to define subwindows at high and low acquisition frequency without impacting negatively the navigation accuracy and at the same time making the navigation task less cumbersome for the platform. In conclusion, LiAISON is a powerful navigation strategy with the potential for further development. The findings and optimization methods proposed within this dissertation offer valuable insights into its future applications.

L’esplorazione spaziale moderna continua a spingersi verso obiettivi sempre più ambiziosi ed in risposta a ciò viene richiesto alle missioni un livello di autonomia in continuo aumento. LiAISON, un recente metodo di navigazione autonomo che consente di stimare lo stato assoluto dei satelliti attraverso misure relative sfruttando le caratteristiche di campi di accelerazione asimmetrici, è parte della risposta che la ricerca ha fornito per venire incontro a questa esigenza. Ora che alcune missioni basate su LiAISON sono in fase avanzata di progettazione, la domanda da porsi è se questa strategia stia venendo sfruttata appieno. Alla luce delle casistiche presenti in letteratura, lo scopo di questo lavoro è testare LiAISON in un sistema binario di asteroidi, caratterizzato da un diverso tipo di dinamica con ulteriori perturbazioni. La navigazione è approcciata attraverso un filtro batch e le performance sono confrontate con quelle ottenute in ambiente cislunare. Viene inoltre proposta un’analisi di sensibilità ai parametri più rilevanti per la navigazione per comprenderne l’impatto ed esplorare opportunità di ottimizzazione. Due possibili strategie vengono quindi introdotte: la prima per la lunghezza ottimale della finestra batch e la seconda per la scelta della frequenza di acquisizione delle misurazioni. LiAISON si è dimostrato robusto nell’applicazione a un ambiente dinamico diverso da quello in cui è stato inizialmente pensato e l’approccio con filtro batch ha prodotto risultati di rilievo. L’ottimizzazione in termini di lunghezza della finestra di navigazione ha mostrato potenzialità nel fornire prestazioni migliori rispetto alla navigazione a finestra fissa. Si è infine concluso che esiste la possibilità di definire sottofinestre ad alta e bassa frequenza di acquisizione senza influire negativamente sulla precisione della navigazione, rendendo allo stesso tempo meno gravoso questo compito per la piattaforma. In conclusione, LiAISON è una potente strategia di navigazione con opportunità per ulteriori sviluppi. Le osservazioni e i metodi di ottimizzazione proposti in questa tesi offrono preziosi spunti sulle sue future applicazioni. L’ottimizzazione in termini di lunghezza della finestra di navigazione ha mostrato potenzialità nel fornire prestazioni migliori rispetto alla navigazione a finestra fissa. Si è infine concluso che esiste la possibilità di definire sottofinestre ad alta e bassa frequenza di acquisizione senza influire negativamente sulla precisione della navigazione, rendendo allo stesso tempo meno gravoso questo compito per la piattaforma. In conclusione, LiAISON è una potente strategia di navigazione con opportunità per ulteriori sviluppi. Le osservazioni e i metodi di ottimizzazione proposti in questa tesi offrono preziosi spunti sulle sue future applicazioni.