Design of a spaceborne closed-loop guidance, navigation and control architecture for satellite servicing in low earth orbit

Over the past decades, the rapid development of space activities has led to an alarming growth of orbital debris, raising the need for cost-effective and sustainable mission architectures. Strategies such as Active Debris Removal (ADR) and In-Orbit Servicing (IOS) have thus emerged to mitigate collision risks, extend mission lifetimes, and enhance the overall sustainability of space activity. These tasks demand advanced Guidance, Navigation, and Control (GNC) solutions, particularly in scenarios involving uncooperative or inactive targets. This thesis presents a closed-loop GNC architecture tailored for CubeSat-scale proximity operations, focusing on the Space Eye (SpEye) mission concept. The navigation layer adopts Relative Orbital Elements (ROEs) within an Extended Kalman Filter (EKF) to support different sensor combinations: CDGNSS-only, multi-sensor, and EO-only mode. The Guidance and Control (GC) component is based on Model Predictive Control (MPC) using Linear Programming (LP), which offers real-time feasibility and the refinement of manoeuvres based on state updates, while satisfying operational constraints. A shrinking-horizon approach is implemented to iteratively re-optimise the trajectory, minimising key performance indicators such as propellant consumption and control accuracy. To evaluate the interaction between navigation and control, a MATLAB/Simulink-based simulation environment was developed. Two mission scenarios are analysed, with a particular focus on evaluating the efficiency of the proposed GNC and assessing the impact of different guidance update frequencies on overall performance.

Negli ultimi decenni, lo sviluppo sempre più rapido delle attività spaziali ha portato a una crescita preoccupante dei detriti orbitali, aumentando la necessità di architetture di missione sostenibili ed economicamente efficienti. Strategie come la Rimozione Attiva dei Detriti (ADR) e il Servizio In Orbita (IOS) sono emerse come soluzioni per mitigare il rischio di collisione, prolungare la vita operativa dei satelliti e migliorare la sostenibilità delle operazioni spaziali. Tuttavia, queste missioni pongono sfide significative ai sistemi di Guida, Navigazione e Controllo (GNC), specialmente in scenari con target non cooperativi o non attivi. Questa tesi presenta un'architettura GNC ad anello chiuso progettata per operazioni di prossimità di piattaforme CubeSat, con particolare riferimento alla missione Space Eye (SpEye). Il sistema di navigazione utilizza gli Elementi Orbitali Relativi (ROE) in un Filtro di Kalman Esteso (EKF), implementato per diverse configurazioni sensoriali: CDGNSS-only, EO-only e una modalità di fusione multi-sensore. Il sistema di Guida e Controllo (GC) si basa su un Controllo Predittivo basato sul Modello (MPC) con Programmazione Lineare (LP), garantendo la realizzabilità in tempo reale e la continua ottimizzazione delle manovre sulla base degli aggiornamenti dello stato, rispettando al contempo i vincoli operativi. Inoltre, viene adottato un approccio a orizzonte decrescente (shrinking-horizon) per minimizzare il consumo di propellente e migliorare l'accuratezza della traiettoria. Per l'analisi della performance del sistema, è stato sviluppato un ambiente di simulazione basato su Matlab/Simulink, che permette di studiare l'interazione tra navigazione e GC in due scenari operativi distinti, con particolare attenzione all'effetto della frequenza di aggiornamento della guida sulle prestazioni complessive.