Inter-satellite link-based one-way ranging for spacecraft formation flying

The growing deployment of Distributed Satellite Systems for Earth observation, geolocation, and deep-space exploration underscores the importance of precise and autonomous relative navigation. In these scenarios, spacecrafts must autonomously execute the entire navigation chain directly onboard, from generating and exchanging relative measurements to performing relative state estimation. Achieving this requires a dedicated inter-satellite communication link, which serves a dual function: enabling the continuous exchange of navigation measurements essential for accurate relative positioning, and supporting mission objectives by facilitating scientific data sharing between platforms. This thesis addresses this challenge by exploring the design and implementation of a radio-frequency inter-satellite link (RF ISL) for one-way ranging, therefore contributing to enhancing real-time relative navigation capabilities in satellite formations. A comprehensive modeling and simulation framework is developed to evaluate the feasibility of ISL-based navigation. The entire signal chain is modeled and implemented, from ranging code generation to signal transmission, propagation effects, and receiver processing. Particular focus is given to the receiver's tracking loops, which are critical for synchronization, precise range estimation, and navigation message retrieval. The study examines key parameters such as sampling frequency, carrier and code tracking loop discriminator selection, and digital filtering techniques to assess their impact on positioning accuracy. This research confirms the feasibility of an RF ISL system for autonomous one-way ranging, addressing key challenges in receiver design, signal processing, and tracking loop stability. The system successfully retrieves the pseudorange and navigation message, while the observed carrier tracking divergence highlights the critical role of sampling frequency on the receiver’s ability to track carrier parameters variations. Ultimately, this work contributes to developing the ISL one-way ranging system for the \textit{VULCAIN} mission in LEO, supporting the advancement of autonomous satellite navigation technologies.

Il crescente sviluppo dei Sistemi Satellitari Distribuiti per l’osservazione della Terra, la geolocalizzazione e l’esplorazione spaziale evidenzia la necessità di tecniche di navigazione relativa autonome e ad alta precisione. In questi contesti, i satelliti devono gestire l’intera catena di navigazione direttamente a bordo, dalla generazione e scambio delle misure relative fino alla stima dello stato. Per garantire questo processo, è essenziale un collegamento inter-satellitare (ISL) dedicato, che svolga una doppia funzione: permettere lo scambio continuo di dati di navigazione per il posizionamento relativo e supportare la missione scientifica con la trasmissione di dati tra i satelliti. Questa tesi affronta tale sfida progettando e analizzando un collegamento inter-satellitare a radiofrequenza (RF ISL) per il ranging one-way, migliorando così le capacità di navigazione relativa in formazioni satellitari. Attraverso un framework di modellazione, viene analizzata l'intera catena del segnale, dalla generazione del codice di ranging alla trasmissione, propagazione e ricezione. Lo studio si concentra sulle prestazioni dei loop di tracciamento, fondamentali per la sincronizzazione, la stima della distanza e il recupero del messaggio di navigazione. Vengono valutati parametri chiave come la frequenza di campionamento, la selezione dei discriminatori per il tracciamento, e le tecniche di filtraggio digitale, valutandone l'impatto sulla precisione del posizionamento. I risultati dimostrano la fattibilità di un sistema RF ISL per il ranging one-way autonomo, affrontando criticità nella progettazione del ricevitore, nell’elaborazione del segnale e nella stabilità dei loop di inseguimento. Il sistema è in grado di recuperare con successo il pseudorange e il messaggio di navigazione, mentre la divergenza osservata nei loop di inseguimento della portante evidenzia l’importanza della frequenza di campionamento per il corretto tracciamento della portante. In definitiva, questo lavoro contribuisce allo sviluppo del sistema ISL per la missione \textit{VULCAIN} in LEO, favorendo l’avanzamento delle tecnologie di navigazione autonoma per missioni spaziali cooperative.