GODOT-based simulation of the LISA navigation filter fusing Orbit Determination and pseudorange disentanglement

The LISA mission is a constellation of three spacecraft flying in a triangular formation in heliocentric orbit, performing laser interferometry to detect gravitational waves. The small magnitude of the gravitational wave signal requires suppression of all noise sources. This can be achieved through Time-Delay Interferometry, which requires precise knowledge of the Light-Travel Times along the constellation arms and the relative desynchronization of the Spacecraft Clocks. In literature, this estimation is referred to as Pseudorange disentanglement, and it is performed using sequential filters, assuming the spacecraft positions and velocities have already been determined through ground-based Orbit Determination. The Mission Analysis Section of the European Space Agency is analyzing an alternative approach fusing ground-based Orbit Determination with the estimation of the Light-Travel Times and Spacecraft Clocks through a single, coherent Square-Root Information Filter. The objective of the thesis is to establish a simulation framework for this augmented Orbit Determination procedure using the GODOT flight dynamics library. This involved developing and simulating a realistic model of the three spacecraft trajectories and clocks. The observations simulated on this real-world model are processed in the filter as they were performed on the actual flying spacecraft. The complex modeling of the noise affecting the clocks required exploring changes in the process noise representation in the filter, to eliminate dynamic signatures from the residuals and to correctly fit the observations data. The estimation performances are assessed numerically and the simulation results are compliant with the requirements, enabling the future use of the filter for real operations. The research presented in this thesis has been conducted during a six-month internship at the European Space Agency.

La missione LISA è una costellazione di tre veicoli spaziali che volano in formazione triangolare in orbita eliocentrica, eseguendo interferometria laser per rilevare le onde gravitazionali. La piccola ampiezza del segnale delle onde gravitazionali richiede la soppressione di tutte le fonti di rumore. Ciò può essere ottenuto attraverso la Time-Delay Interferometry, che richiede una precisa conoscenza dei tempi di propagazione della luce lungo i bracci della costellazione e della desincronizzazione relativa dei clock dei veicoli spaziali. In letteratura, questa stima è indicata come Pseudorange disentanglement, ed è eseguita utilizzando filtri sequenziali, assumendo che le posizioni e le velocità dei veicoli spaziali siano state già determinate attraverso la Determinazione Orbitale da terra. La Sezione di Analisi di Missione dell'Agenzia Spaziale Europea sta analizzando un approccio alternativo che possa fondere la Determinazione Orbitale da terra con la stima dei tempi di propagazione della luce e dei clock dei veicoli spaziali attraverso un solo, coerente Square-Root Information Filter. L'obiettivo della tesi è di stabilire un framework di simulazione per questa procedura di Determinazione Orbitale aumentata usando la libreria di dinamica del volo GODOT. Ciò ha richiesto lo sviluppo e la simulazione di un modello realistico delle traiettorie e dei clock dei tre veicoli spaziali. Le osservazioni simulate su questo modello realistico vengono processate nel filtro come se fossero effettuate sull'effettivo veicolo spaziale in volo. La complessa modellizzazione del rumore che influenza i clock ha richiesto l'esplorazione di cambiamenti nella rappresentazione del rumore di processo nel filtro, per eliminare eventuali artefatti dinamici dai residui e per un corretto adattamento ai dati delle osservazioni. Le prestazioni di stima sono state valutate numericamente, e i risultati della simulazione sono conformi ai requisiti della missione. La ricerca presentata in questa tesi è stata condotta durante un tirocinio di sei mesi presso l’Agenzia Spaziale Europea.