Design and testing of close proximity operations for RAMSES Mission

On April 13, 2029, the possibly dangerous asteroid (99942) Apophis will pass quite near to Earth. The close encounter provides an unparalleled opportunity for both planetary science and defence studies. ESA proposed the mission Rapid Apophis Mission for SEcurity and Safety (RAMSES) to rendezvous with Apophis before the close encounter to characterise Apophis before, during and after it. This work presents a preliminary design and testing of proximity operations in the context of RAMSES. The main challenge of proximity operations is the execution of a detailed characterisation campaign of the Apophis asteroid a priori and a posteriori to its close encounter with Earth. In addition, the characterisation of physical and dynamical alterations during the close encounter with Earth. Firstly, an overview of the strategies used in other missions is performed. Thereafter, a possible design of the close proximity operations is performed using Hovering strategy. The principal benefits of this strategy are the flexibility to select the observation conditions to gather data and perform science. It also appears as a simple approach to design and simplifying operations. Subsequently, the strategy is tested in a GNC closed-loop. The GNC is created using a camera and an altimeter as sensors. The main objective of this preliminary design is to ensure the feasibility of the trajectories. An EKF is used for the navigation solution due to its characteristics. In addition, a Fixed Time Of Arrival (FTOA) with Receding horizontal control (RHC) is used as the guidance law. The results show the feasibility of using hovering trajectories for proximity operations, as well as the advantages, challenges and limitations.

Il 13 aprile 2029, l’asteroide potenzialmente pericoloso (99942) Apophis passerà molto vicino alla Terra. L’incontro ravvicinato offre un’opportunità senza precedenti sia per la scienza planetaria che per gli studi di difesa. L’ESA ha proposto la missione Rapid Apophis Mission for SEcurity and Safety (RAMSES) per incontrare Apophis prima dell’incontro ravvicinato per caratterizzare Apophis prima, durante e dopo di esso. Questo lavoro presenta un progetto preliminare e test delle operazioni di prossimità nel contesto di RAMSES. La principale sfida delle operazioni di prossimità è l’esecuzione di una dettagliata campagna di caratterizzazione dell’asteroide Apophis a priori e a posteriori al suo incontro ravvicinato con la Terra. Inoltre, la caratterizzazione delle alterazioni fisiche e dinamiche durante l’incontro ravvicinato con la Terra. In primo luogo, viene eseguita una panoramica delle strategie utilizzate in altre missioni. Successivamente, viene eseguito un possibile progetto delle operazioni di stretta prossimità utilizzando la strategia Hovering. I principali benefici di questa strategia sono la flessibilità di selezionare le condizioni di osservazione per raccogliere dati e svolgere la scienza. Appare anche come un approccio semplice per progettare e semplificare le operazioni. Successivamente, la strategia viene testata in un GNC in loop chiuso. Il GNC viene creato utilizzando una telecamera e un altimetro come sensori. L’obiettivo principale di questo progetto preliminare è garantire la fattibilità delle traiettorie. Un EKF viene utilizzato per la soluzione di navigazione a causa delle sue caratteristiche. Inoltre, un Fixed Time Of Arrival (FTOA) con Receding horizontal control (RHC) viene utilizzato come legge di guida. I risultati mostrano la fattibilità dell’uso di traiettorie di hovering per operazioni di prossimità, così come i vantaggi, le sfide e le limitazioni.