Station keeping design for regional navigation constellations in elliptical lunar frozen orbits

This thesis investigates the Station-Keeping strategy for a four-satellite navigation constellation in Elliptical Lunar Frozen Orbits (ELFO), as part of the Lunar Communications and Navigation Services (LCNS) and ESA's Moonlight Initiative framework. On-ground users are targeted, therefore the navigation performances are computed in terms of Height-constrained Horizontal Dilution Of Precision rather than the typical Global Dilution Of Precision (GDOP). To ensure a stable and robust navigation service quality along a long term mission, while also reducing propellant consumption, the initial constellation design has been modified in terms of semi-major axis. This correction guarantees a nearly frozen relative mean anomaly evolution among the spacecrafts' couples, limiting the long period performances impairment due to the altered phasing between the various units. The resulting performances would guarantee a Station-Keeping-less constellation. The semi-major axis have been further corrected to guarantee an effective optimized 12 hours orbital period, which ensures better synchronization with Earth-based operations. Alongside the initial conditions optimization, a robust station-keeping strategy has been developed to maintain the navigation performances during a representative expected mission lifetime. In particular, the service quality has been linked with each spacecraft's mean anomaly deviation from nominality, which has been deemed as the leading cause of the performances impairment over the long period. Different methods to define the mean anomaly boxes for an N spacecrafts' constellation has been defined and compared. The first one involves N-1 nested for cycles, the second exploits an N dimensional convolution matrix which guarantees a faster computation. The strategy departs from the traditional Earth-centered Global Navigation Satellite System (GNSS) approaches. Instead of maintaining strictly the initial geometric configuration, which would lead to an excessive propellant expenditure due to the highly-perturbed lunar environment, the Station-Keeping maneuvers focus on sustaining the functional performance of the constellation, allowing a greater drift and distortion from the original geometry as long as the target performances are met. The maneuvers have been modeled as impulsive and performed at the periapsis once the pre-defined mean anomaly boxes are violated. Monte Carlo simulations have been employed to assess the impact of uncertainties in initial conditions, spacecraft characteristics, and perturbations on the constellation's orbital evolution. These simulations provide insights into the expected deviations from the nominal orbit, in particular in terms of mean anomalies, and helps in quantifying a realistic divergence of the results obtained from a more realistic scenario. The results demonstrate that, despite the challenging lunar environment, the proposed correction of the initial conditions alone would already guarantee a Station-Keeping-less design, therefore reducing greatly the expected resources expenditure. Furthermore, the eventual Station-Keeping design is very efficient and its propellant consumption is not a driving factor on the mission extension.

Questa tesi indaga la strategia di Station-Keeping per una costellazione di navigazione di quattro satelliti in Elliptical Lunar Frozen Orbits (ELFO), nell'ambito dei progetti Lunar Communications and Navigation Services (LCNS) ed ESA Moonlight Initiative. Gli utenti a cui il servizio di navigazione è riferito sono a terra, pertanto le prestazioni di navigazione sono calcolate in termini di Height-constraint Horizantal Dilution Of Precision (HHDOP) anziché del tipico Global Dilution Of Precision (GDOP). Per garantire una qualità del servizio di navigazione stabile e robusta lungo una missione a lungo termine, riducendo al contempo il consumo di propellente, le condizioni orbitali iniziali della costellazione sono state modificate in termini di semiasse maggiore. Questa correzione garantisce un'evoluzione pressoché congelata dell'anomalia media relativa tra le coppie di satelliti, limitando il degrado delle prestazioni a lungo periodo dovuto allo sfasamento planare tra le varie unità. Le prestazioni risultanti garantirebbero una costellazione che non richiederebbe alcuna strategia di Station-Keeping. I semiassi maggiori sono stati ulteriormente corretti per garantire un periodo orbitale ottimizzato di 12 ore, che assicura una migliore sincronizzazione con le operazioni terrestri. Oltre all'ottimizzazione delle condizioni iniziali, è stata sviluppata una strategia di station-keeping robusta per mantenere le prestazioni di navigazione durante la durata prevista della missione. In particolare, la qualità del servizio è stata collegata alla deviazione dell'anomalia media di ciascun satellite rispetto a quella nominale, verificata come la causa principale del degrado delle prestazioni a lungo periodo. Sono stati definiti e confrontati diversi metodi per definire le variazioni consentite dell'anomalia media per una costellazione di N satelliti che garantisano accettabili prestazioni del servizio di navigazione. Il primo prevede N-1 intrecciati cicli for, il secondo sfrutta una matrice di convoluzione N dimensionale che garantisce un calcolo più rapido. La strategia si discosta dagli approcci tradizionali di costellazioni Global Navigation Satellite System (GNSS) orbitanti Terra. Invece di mantenere rigorosamente la configurazione geometrica iniziale, che comporterebbe un consumo eccessivo di carburante a causa dell'ambiente lunare altamente perturbato, le manovre di Station-Keeping si concentrano sul mantenimento delle prestazioni funzionali della costellazione, consentendo una maggiore deriva e distorsione dalla geometria originale purché siano soddisfatte le prestazioni di riferimento. Le manovre sono state modellate come impulsive e vengono eseguite al periapside una volta violate i box dell'anomalia media predefinite. Le simulazioni Monte Carlo sono state impiegate per valutare l'impatto delle incertezze nelle condizioni iniziali, nelle caratteristiche dei satelliti e nelle perturbazioni sull'evoluzione orbitale della costellazione. Queste simulazioni forniscono informazioni sugli scostamenti attesi dall'orbita nominale, in particolare in termini di anomalie medie, e aiutano a quantificare una divergenza realistica dei risultati ottenuti da uno scenario più realistico. I risultati dimostrano che, nonostante il difficile ambiente lunare, la sola correzione delle condizioni iniziali garantirebbe già una costellazione che non richierederebbe una strategia di Station-Keeping, riducendo quindi notevolmente il consumo previsto di risorse. Inoltre, il progetto finale di Station-Keeping è molto efficiente e il consumo di propellente non è un fattore determinante per l'estensione della missione.