Performance assessment of an autonomous angles-only inter-satellite navigation method in cislunar space

As the interest for the Moon and the cislunar space is increasing, new strategies to perform autonomous navigation have been developed. Among them, LiAISON is a navigation method based on satellite to satellite tracking. By exploiting the asymmetry in the acceleration function in the cislunar regime, which is characterized by a three-body dynamics, it enables the estimation of the absolute position and velocity of the two satellites using only relative measurements. Since this method has already been investigated in several simulations and implemented in real missions, the objective of this work is to evaluate the performances of this method, using angle-only measurements, in the cislunar space. This work is structured in two main parts. The first is a sensitivity analysis, aimed at quantifying the influence of various parameters, such as the geometry or the measurement noise and frequency. Such analysis is performed in an ideal scenario, without any visibility conditions and modeled through the circular restricted three-body problem. The second part is a performance assessment of the navigation method in a more realistic scenario, using a n-body propagator and taking into account the visibility conditions. The sensitivity analysis demonstrated that all tested parameters affect the navigation performances and even, in some cases, determine the success or failure of the simulation. Depending on the parameters, both the error and the uncertainty levels on the estimated state can vary. Moreover, these findings are confirmed in the case of a more realistic scenario. Indeed, depending on the initial date, the visibility conditions can reduce the number of available measurements, thus affecting performances or even leading to divergence. In conclusion, the angle-only LiAISON navigation method proves to be a promising solution for autonomous navigation in the cislunar space. However, careful selection of parameters is essential to ensure optimal performances and compatibility for onboard satellite implementation.

Con il crescente interesse verso la Luna e lo spazio cislunare, sono state sviluppate nuove strategie per realizzare una navigazione autonoma. Tra queste, LiAISON rappresenta un metodo di navigazione basato sul tracciamento satellite-satellite. Sfruttando l’asimmetria della funzione di accelerazione nel regime cislunare, caratterizzato da una dinamica a tre corpi, il metodo consente di stimare la posizione e la velocità assolute dei due satelliti utilizzando esclusivamente misure relative. Poiché questo metodo è già stato studiato in diverse simulazioni e implementato in missioni reali, l’obiettivo del presente lavoro è valutare le prestazioni del metodo LiAISON, basato su misure angolari, nello spazio cislunare. Il lavoro è strutturato in due parti principali. La prima consiste in un’analisi di sensibilità, volta a quantificare l’influenza di vari parametri, quali la geometria, il rumore e la frequenza delle misure. Tale analisi è condotta in uno scenario ideale, privo di condizioni di visibilità e modellato tramite il problema dei tre corpi ristretto circolare. La seconda parte riguarda la valutazione delle prestazioni del metodo di navigazione in uno scenario più realistico, utilizzando un propagatore a n corpi e tenendo conto delle condizioni di visibilità. L’analisi di sensibilità ha mostrato che tutti i parametri esaminati influenzano le prestazioni di navigazione e, in alcuni casi, determinano il successo o il fallimento della simulazione. A seconda dei parametri considerati, sia l’errore sia il livello di incertezza nello stato stimato possono variare. Inoltre, tali risultati sono confermati anche nello scenario più realistico: infatti, in funzione della data iniziale, le condizioni di visibilità possono ridurre il numero di misure disponibili, compromettendo così le prestazioni o portando alla divergenza. In conclusione, il metodo di navigazione LiAISON basato su misure angolari si dimostra una soluzione promettente per la navigazione autonoma nello spazio cislunare. Tuttavia, una scelta accurata dei parametri risulta essenziale per garantire prestazioni ottimali e la compatibilità con l’implementazione a bordo dei satelliti.