Autonomous evasive strategies for space defence: development and analysis of real-time on board interception-delaying algorithms

Space has become an essential resource for civil and military purposes, providing critical data and services but also facing increasing threats from hostile actions that could disrupt or destroy space assets. To counter these risks, evasive strategies based on Angles-Only Navigation and autonomous real-time tactics are explored throughout this work, providing a robust foundation for space defence tactics. In the framework of Pursuit-Evasion games, relative dynamics models are critical in satellite tracking and manoeuvring. When Angles Only relative Navigation is employed, limited opponent state information and system observability are key factors for improving evasion and pursuit strategies. To tackle this issue the research initially classifies various relative dynamics models, evaluating accuracy, observability, and computational efficiency to enhance prediction and control within Pursuit-Evasion games. Building upon this foundation, the work develops two control strategies to implement evasive manoeuvres. A time-optimal, Zero-Sum Game control provides a fundamental understanding of the game dynamics but is computationally restrictive for real-time applications. Subsequently, an advanced control strategy leverages the State-Dependent Riccati Equation, aiming to maximize the evader's survival. This second approach is tested in both zero-sum and non-zero-sum settings, integrating an Unscented Kalman Filter for real-time state and parameter estimation under information constraints. Finally, Simulink simulations across various orbital scenarios validate the strategies, showcasing their robustness in real-world, adversarial satellite encounters within both circular and elliptical orbits. This work enhances space defence capabilities by advancing optimal evasive control and robust pursuit tactics, directly impacting the efficacy and safety of satellite operations in hostile environments.

Lo spazio è diventato una risorsa essenziale per scopi civili e militari, fornendo dati e servizi cruciali ma affrontando al contempo minacce crescenti da parte di azioni ostili che potrebbero interrompere o distruggere asset spaziali. Per contrastare questi rischi, in questo lavoro vengono esplorate strategie evasive basate sulla navigazione con soli angoli e tattiche autonome in tempo reale, offrendo una solida base per lo sviluppo di strategie di difesa spaziale. Nell'ambito dei giochi di inseguimento-evasione, i modelli di dinamica relativa sono elementi cruciali per il tracciamento e la manovra dei satelliti. Quando viene impiegata la navigazione con soli angoli, la limitata informazione sullo stato dell’avversario e l'osservabilità del sistema sono fattori chiave per migliorare le strategie di evasione e inseguimento. Per affrontare questo problema, questa ricerca classifica inizialmente vari modelli di dinamica relativa, valutando accuratezza, osservabilità ed efficienza computazionale per migliorare la predizione e il controllo nei giochi di inseguimento-evasione. A partire da questa base, il lavoro sviluppa due strategie di controllo per implementare manovre evasive. Un controllo tempo-ottimale per giochi a somma zero fornisce una comprensione fondamentale della dinamica di inseguimento-evasione ma risulta computazionalmente limitante per applicazioni in tempo reale. Successivamente, una strategia di controllo avanzata sfrutta l’equazione di Riccati dipendente dallo stato (State-Dependent Riccati Equation), con l'obiettivo di massimizzare la sopravvivenza dell’evader. Questo secondo approccio viene testato sia in giochi a somma zero che non a somma zero, integrando un filtro di Kalman Unscented per la stima in tempo reale dello stato e dei parametri sotto vincoli informativi. Infine, simulazioni in Simulink in vari scenari orbitali validano le strategie, dimostrandone la robustezza in situazioni reali di incontri satellitari avversari sia in orbite circolari che ellittiche. Questo lavoro potenzia le capacità di difesa spaziale, avanzando il controllo ottimale evasivo e strategie di inseguimento robuste, con un impatto diretto sull'efficacia e la sicurezza delle operazioni satellitari in ambienti ostili.