Deep-space pulsar-based autonomous navigation

The present research work aims at investigating the core characteristics, the feasibility and the expected performance of a technique for spacecraft navigation employing the X- ray emissions of pulsars, referred to as XNAV. It is based upon the detection of photons from distant pulsar emissions: their time of arrival (TOA) is then compared with the one predicted by a mathematical model at a certain reference location (usually the Solar Sys- tem Barycenter). From the comparison between the predicted and the observed photon TOAs the distance between the observer and the reference, projected along the pulsar line of sight, can be estimated. This alternative method for estimating the spacecraft’s position, conceptualized soon after the discovery of pulsars, could harbor a new generation of deep-space exploration missions that are independent of Earth-based tracking for their navigation. Furthermore, previous researches suggested that a position uncertainty of a few tens of kilometers could be obtained via XNAV regardless of the spacecraft’s location, thus allowing for accurate navigation throughout the entire Solar System. In the proposed thesis work, a thorough analysis of X-ray pulsar-based navigation is presented, starting from the core physical properties of neutron stars; the general components of an X-ray detection system are then described, together with the principal parameters that help defining the suitability of a pulsar for autonomous navigation. From this baseline, the principle of position determination via XNAV is presented and discussed, together with its intrinsic limitations and the proposed strategy to overcome them. The numerical algo- rithm that is necessary to simulate the XNAV measurement model is then analyzed and the possible alternatives to the proposed workflow are discussed. Finally, the autonomous state estimation performance of two real-world missions, New Horizons and Cassini, is studied via an Unscented Kalman Filter algorithm that incorporates the proposed XNAV measurement model. These simulations allow to determine the potential accuracy effec- tively attainable by XNAV in a realistic deep-space context of mission.

La ricerca presentata ambisce ad investigare le caratteristiche chiave, la fattibilità e le prestazioni ottenibili tramite una tecnica di navigazione spaziale che sfrutti le emissioni nei raggi X delle pulsar, nota come XNAV. Essa si basa sulla ricezione di fotoni emessi da pulsar distanti: i loro tempi d’arrivo vengono confrontati con quelli previsti da un modello matematico per un punto di riferimento (solitamente il baricentro del Sistema Solare). Dal confronto tra i tempi d’arrivo osservati e quelli previsti è possibile stimare la distanza, proiettata lungo la linea di vista tra osservatore e pulsar, dell’osservatore rispetto alla località scelta. Questa metodologia alternativa, teorizzata per la prima volta poco dopo la scoperta delle pulsar, per la stima della posizione di un veicolo spaziale, potrebbe guidare una nuova generazione di missioni per l’esplorazione dello spazio pro- fondo che siano indipendenti da misurazioni terrestri nella navigazione. Inoltre, ricerche precedenti hanno stimato che, tramite XNAV, siano possibili incertezze sulla posizione di poche decine di kilometri, indipendentemente da dove si trovi il veicolo; questo suggerisce che XNAV potrebbe fornire una soluzione di navigazione precisa in qualunque zona del Sistema Solare. Nel lavoro di tesi che segue viene presentata un’analisi dettagliata della navigazione basata sulle pulsar a raggi X, partendo dalla descrizione delle proprietà chi- ave delle stelle di neutroni. Vengono poi descritti i componenti standard di un sistema di rilevazione di raggi X e i parametri principali usati per definire l’adeguatezza di una pulsar per la navigazione autonoma. Partendo da queste basi teoriche, sono presentati e discussi i prinicipi fisici dietro la determinazione della posizione tramite XNAV, incluse le limitazioni intrinseche al modello. Successivamente, viene presentato e analizzato in ogni passaggio l’algoritmo per simulare numericamente il modello di misura tramite emissioni di pulsar nei raggi X, insieme alle possibili alternative ai passaggi proposti. In conclusione, l’intero algoritmo per la generazione della misura è applicato nella simulazione di due vere missioni per l’esplorazione del Sistema Solare esterno, New Horizons e Cassini. Qui, un algoritmo per la stima autonoma dello stato del sistema, basato sull’ Unscented Kalman Filter, viene integrato dal modello di misura proposto e vengono studiate e commentate le prestazioni raggiunte in questi due contesti di missione.