HERA mission trajectory safety assessment through on-board failure detection

The Hera Mission, the contribution by the European Space Agency within the AIDA collaboration, is dedicated to studying the Didymos asteroid. In the Experimental Phase "Very Close Flyby," the spacecraft relies solely on its on-board GNC functionalities. The effort of the work has concentrated on devising Fault Detection algorithms to evaluate the trajectory safety independently of the GNC loop. A comprehensive analysis of the dynamical environment precedes the design phase, evaluating how various models impact trajectory propagation errors. Three strategies are explored, two utilizing a collision risk definition based on the Distance at Closest Approach (DCA) distribution and the establishment of a keep-out sphere encompassing both asteroids. The first strategy involves raw measurements and local regression techniques to estimate DCA and its uncertainty, determining the probability of entering the keep-out sphere through integration, triggering a Collision Avoidance Maneuver based on a predefined threshold. The second strategy employs an unscented Kalman filter in Square Root form, processing observables akin to the navigation filter. The investigation extends to using the gravitational parameter as a considered state and its effect on unscented transform accuracy. The third approach adapts a pair of Square Root Unscented Kalman Filters within the Wald sequential hypothesis testing framework, employing a sigma point projector based on a Lambert solver algorithm to enforce PDF constraints. The Likelihood ratio of the Innovation distributions informs the test, guiding decisions based on thresholds derived from target probabilities of inferential errors. To tackle the issue associated with the constrained filter dismissing physically inconsistent measurements, a secondary failure detection routine is introduced with a counter that monitors the filters rejections. All algorithms, implemented in MATLAB, underwent testing using Hera Experimental trajectory scenarios, providing critical insights into their assumptions, limitations, and performance.

La Missione Hera, il contributo dell'Agenzia Spaziale Europea come parte della collaborazione AIDA, è dedicata allo studio dell'asteroide Didymos. Nella Fase sperimentale di sorvolo ravvicinato, il veicolo farà affidamento esclusivamente sulle funzionalità di GNC a bordo. Il lavoro si è concentrato sulla progettazione di algoritmi di rilevamento di fallimenti per valutare la sicurezza della traiettoria in modo indipendente dal sistema GNC. Un'analisi della dinamica del moto precede la fase di progettazione, valutando come vari modelli influenzino gli errori di propagazione della traiettoria. Tre strategie sono state esplorate, di cui due utilizzanti una definizione del rischio di collisione basata sulla distribuzione della minima distanza di sorvolo e sulla creazione di una sfera di esclusione intorno ad entrambi gli asteroidi. La prima strategia impiega direttamente misurazioni e tecniche di regressione per stimare la minima distanza e la sua incertezza, determinando la probabilità di entrare nella sfera di esclusione per integrazione, e comandando una manovra di evitamento qualora tale probabilità dovesse superare la soglia prestabilita. La seconda strategia utilizza uno Square-Root Unscented Kalman filter, processando misurazioni similmente al filtro di navigazione. L'indagine si estende all'utilizzo del parametro gravitazionale con associata incertezza e al suo impatto sull'Unscented Transform. Il terzo approccio adatta una coppia degli stessi filtri in un test di ipotesi sequenziale, impiegando un Sigma Point projector basato sul Problema di Lambert per imporre vincoli alla PDF. Un rapporto di Verosimiglianza guida le decisioni del test, basate su soglie derivate dalle probabilità di errori inferenziali desiderate. Per affrontare il problema legato a misurazioni predette dal filtro fisicamente inconsistenti e perciò rifiutate, una procedura decisionale secondaria è stata introdotta tramite un contatore che monitora il numero di rifiuti del filtro. Tutti gli algoritmi, implementati in MATLAB, sono stati testati utilizzando lo scenario di missione di Hera. Le loro ipotesi, limitazioni e prestazioni sono criticamente discusse in fase di analisi. Tre strategie sono state esplorate, di cui due utilizzanti una definizione del rischio di collisione basata sulla distribuzione della minima distanza di sorvolo e sulla creazione di una sfera di esclusione intorno ad entrambi gli asteroidi. La prima strategia impiega direttamente misurazioni e tecniche di regressione per stimare la minima distanza e la sua incertezza, determinando la probabilità di entrare nella sfera di esclusione mediante integrazione, e comandando una manovra di evitamento qualora tale probabilità dovesse superare la soglia prestabilita. La seconda strategia utilizza uno Square-Root Unscented Kalman filter, processando misurazioni similmente al filtro di navigazione. L'indagine si estende all'utilizzo del parametro gravitazionale con associata incertezza e al suo impatto sull'Unscented Transform. Il terzo approccio adatta una coppia degli stessi filtri in un test di ipotesi sequenziale, impiegando un Sigma Point projector basato sul Problema di Lambert per imporre vincoli alla PDF. Un rapporto di Verosimiglianza guida le decisioni del test, basate su soglie derivate dalle probabilità di errori inferenziali desiderate. Per affrontare il problema legato a misurazioni predette dal filtro fisicamente inconsistenti e perciò rifiutate, una procedura decisionale secondaria è stata introdotta tramite un contatore che monitora il numero di rifiuti del filtro. Tutti gli algoritmi, implementati in MATLAB, sono stati testati utilizzando lo scenario di missione di Hera. Le loro ipotesi, limitazioni e prestazioni sono criticamente discusse in fase di analisi.