Preliminary trade-off and design of a navigation method for collaborative rendezvous and proximity operations

The aim of this thesis is to develop and test an advanced relative navigation system for spacecraft rendezvous and docking (RVD). The research focuses on the implementation of navigation filters that enable precise state estimation of position, velocity, and attitude during various mission phases. The multi-sensor suite of the chaser spacecraft includes a Narrow-Angle Camera integrated with a GNSS/Inter-Satellite Link (ISL) for far-range and a Wide-Angle Camera for close-range. The collaborative target provides the counterpart of the GNSS/ISL and is equipped with optical markers for close-range guidance. Separate filters are designed for the different phases of the approach. The far-range filter is based on Relative Orbital Elements (ROE), which offer a better analytical description of the relative motion and a clearer geometrical insight compared to Cartesian filters. An ROE-based Extended Kalman Filter (EKF) and Unscented Kalman Filter (UKF) are developed and compared. While the UKF shows advantages in cases of high eccentricity or large initial errors, both filters perform satisfactorily in most scenarios. For the close-range phase, marker detection on the camera’s focal plane is simulated, and angles and range measurements are derived geometrically. While for the translational part, a Cartesian EKF with adaptive range measurement tuning is utilized, the rotational part employs a Multiplicative Extended Kalman Filter (MEKF), since it can handle the rotational spacecraft dynamics better than an additive filter. The close-range filters show high accuracy and fast convergence. A hold point at a 20-meter separation facilitates a smooth transition between far-range and close-range filters. The simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed navigation algorithm in obtaining accurate state estimates throughout various mission phases, offering useful insights for relative navigation systems in future space missions.

L’obiettivo di questa tesi è sviluppare e testare un avanzato sistema di navigazione relativa per le missioni di Rendezvous and Docking (RVD) di veicoli spaziali. La ricerca si concentra sull’implementazione di filtri di navigazione che consentano una precisa stima dello stato di posizione, velocità e assetto durante le diverse fasi della missione. Il sistema multi-sensore del veicolo chaser include una Narrow-Angle Camera e un GNSS/Inter-Satellite Link (ISL) per il lungo raggio, e una Wide-Angle Camera per il corto raggio. Il veicolo target collaborativo è dotato della controparte GNSS/ISL ed è equipaggiato con marcatori ottici per la guida a corto raggio. Filtri separati sono progettati per le diverse fasi dell’avvicinamento. Il filtro per il lungo raggio è basato su Relative Orbital Elements (ROE), che offrono una migliore descrizione analitica del moto relativo e una comprensione geometrica più chiara rispetto ai filtri Cartesiani. Sono stati sviluppati e confrontati un Extended Kalman Filter (EKF) ed un Unscented Kalman Filter (UKF) basati su ROE. Anche se l’UKF mostri vantaggi in casi di alta eccentricità o grandi errori iniziali, entrambi i filtri forniscono risultati soddisfacenti nella maggior parte degli scenari. Per la fase a corto raggio, viene simulata la rilevazione dei marcatori sul piano focale della camera, e gli angoli e le misurazioni della distanza vengono ricavati geometricamente. Mentre per la parte traslazionale viene utilizzato un EKF Cartesiano con tuning adattivo delle misure della distanza, per la parte rotazionale viene impiegato un Multiplicative Extended Kalman Filter (MEKF), poiché è in grado di gestire meglio le dinamiche rotazionali del veicolo spaziale rispetto a un filtro additivo. I filtri a corto raggio mostrano un’alta precisione e una rapida convergenza. Un punto di stazionamento a una distanza di 20 metri facilita una transizione fluida tra i filtri per il lungo raggio e il corto raggio. I risultati delle simulazioni dimostrano che l’algoritmo di navigazione proposto funziona efficacemente nel fornire stime accurate dello stato durante le varie fasi della missione, offrendo indicazioni utili per i sistemi di navigazione relativa nelle future missioni spaziali.