Preliminary design of a database for formation flying and proximity missions

This dissertation delineates the design, implementation, and validation of a relational database engineered to organise and analyse spacecraft proximity operations missions. In today's space activities, missions such as rendezvous, docking, formation flying, on-orbit servicing, active debris removal, and on-orbit assembly are becoming increasingly significant. There is a lot of information out there, but it's spread across many sources, making it hard to compare missions consistently or identify recurring design patterns. To get around this problem, a complete end-to-end data pipeline was built, including requirements definition, conceptual modelling, schema design, and physical implementation in SQLite. The resulting database stores information about missions, spacecraft designs, propulsion and sensing systems, Guidance, Navigation, and Control (GNC) subsystems, algorithms, operational phases, activities, and safety measures. Each piece of information is stored consistently, with document references that can be traced. We populated the database with a carefully selected collection of publicly available missions and then analysed it using a series of structured SQL queries. These queries demonstrate how the relational schema can reveal patterns in safety approaches, autonomy levels, operational limits, and sensing strategies across different mission types. The author believes that there is no public relational database that currently offers a unified framework for representing proximity-operations missions across multiple domains, such as on-orbit servicing (OOS), on-orbit assembly (OOA), active debris removal (ADR), and formation flying (FF). The information created provides a structured foundation that may be used for future research, mission comparisons, and the development of standardised methods for spacecraft proximity operations.

Questa tesi delinea la progettazione, l’implementazione e la validazione di un database relazionale sviluppato per organizzare e analizzare le missioni di prossimità spaziale. Nelle attività spaziali contemporanee, missioni come rendezvous, attracco, formazione in volo, manutenzione in orbita, rimozione attiva dei detriti e assemblaggio in orbita stanno assumendo un’importanza sempre crescente. Esiste una grande quantità di informazioni, ma è distribuita in molte fonti, rendendo difficile confrontare le missioni in modo coerente o identificare schemi progettuali ricorrenti. Per affrontare questo problema, è stata sviluppata una pipeline completa di elaborazione dei dati end-to-end, che comprende la definizione dei requisiti, la modellazione concettuale, la progettazione dello schema e l’implementazione fisica in SQLite. Il database risultante memorizza informazioni sulle missioni, sulle architetture dei veicoli spaziali, sui sistemi di propulsione e di sensorizzazione, sui sottosistemi di Guida, Navigazione e Controllo (GNC), sugli algoritmi, sulle fasi operative, sulle attività e sulle misure di sicurezza. Ogni informazione è strutturata in modo coerente, con riferimenti documentali tracciabili. Il database è stato popolato con una selezione accurata di missioni pubblicamente disponibili ed è stato successivamente analizzato mediante una serie di query SQL strutturate. Queste interrogazioni dimostrano come lo schema relazionale possa mettere in evidenza schemi ricorrenti relativi alle strategie di sicurezza, ai livelli di autonomia, ai limiti operativi e alle strategie di sensorizzazione in diversi tipi di missione. Per quanto è noto all’autore, non esiste attualmente un database relazionale pubblico che offra un quadro unificato per rappresentare missioni di prossimità spaziale attraverso diversi domini operativi, quali la manutenzione in orbita (OOS), l’assemblaggio in orbita (OOA), la rimozione attiva dei detriti (ADR) e la formazione in volo (FF). Le informazioni sviluppate costituiscono una base strutturata che può essere utilizzata per future attività di ricerca, per confronti tra missioni e per lo sviluppo di metodologie standardizzate nelle operazioni di prossimità spaziale.