Modelling and simulation of GNSS measurements for LEO formation flying missions

Low Earth Orbit (LEO) formation flying missions have become increasingly important for Earth observation, offering the potential for enhanced data quality without relying on large and costly satellite platforms. However, these missions also bring challenges for the Guidance, Navigation, and Control (GNC) subsystem, which requires precise relative positioning, often with centimetre-level accuracy. Global Navigation Satellite Systems (GNSS) are crucial in meeting these requirements, particularly with the advantages provided by multi-constellation setups like GPS and Galileo. This thesis details the development of a Simulink-based GNSS measurement simulator designed to support the study of short-baseline LEO formation flying. The simulator models key GNSS observables, such as pseudorange and carrier phase, and incorporates a range of error sources, including clock biases, relativistic effects, ionospheric delays, and phase wind-up. The simulation also includes combinations of measurements, such as GRAPHIC, single and double differences, to mitigate errors and improve positioning accuracy. Thermal noise and receiver channel constraints are considered to reflect realistic operational scenarios. The modular and configurable nature of the simulator allows it to be adapted to different mission requirements, making it a useful tool for research and preliminary mission studies at Politecnico di Milano. Results from simulation tests demonstrate the simulator’s ability to model GNSS errors effectively and offer insights into navigation algorithm performance. The analysis highlights the benefits of multi-constellation GNSS and combined measurement techniques for reliable positioning in formation flying scenarios. This work represents a step forward in GNSS-based navigation modelling for formation flying mission, providing a foundation for future research and mission planning at Politecnico di Milano.

Le missioni di formation flying in orbita bassa terrestre (LEO) sono diventate sempre più importanti per l’osservazione della Terra, offrendo la possibilità di migliorare la qualità dei dati senza la necessità di grandi e costose piattaforme satellitari. Tuttavia, queste missioni presentano sfide significative per il sottosistema di Guida, Navigazione e Controllo (GNC), che richiede un preciso posizionamento relativo, spesso con un’accuratezza dell’ordine dei centimetri. I Global Navigation Satellite System (GNSS) sono fondamentali per soddisfare questi requisiti, soprattutto grazie ai vantaggi offerti dalle configurazioni multi-costellazione, come GPS e Galileo. Questa tesi descrive lo sviluppo di un simulatore di misurazioni GNSS basato su Simulink, progettato per supportare lo studio di formation flight LEO a corto raggio. Il simulatore modella misurazioni GNSS chiave, come pseudorange e carrier phase, e integra diverse fonti di errore, tra cui bias degli orologi, effetti relativistici, ritardi ionosferici e l’effetto wind-up. La simulazione include anche combinazioni di misurazioni, come GRAPHIC, differenze singole e doppie. Vengono considerati il rumore termico e le limitazioni dei canali del ricevitore per riflettere scenari realistici. La natura modulare e configurabile del simulatore consente di adattarlo a diversi requisiti di missione, rendendolo uno strumento utile per la ricerca e gli studi preliminari presso il Politecnico di Milano. I risultati dei test di simulazione dimostrano la capacità del simulatore di modellare efficacemente gli errori GNSS e riescono a fornire approfondimenti sulle prestazioni degli algoritmi di navigazione. L'analisi evidenzia i vantaggi delle configurazioni GNSS multi-costellazione e delle tecniche di combinazione di misurazioni per avere un posizionamento affidabile nei voli in formazione. Questo lavoro rappresenta un passo avanti nella modellazione della navigazione basata su GNSS per missioni di volo in formazione, fornendo una base per futuri studi di missioni al Politecnico di Milano.