An interactive virtual reality tool for space debris collision avoidance manoeuvre design and visualisation

Since humanity's journey into space began, the number of space debris in orbit has exceeded that of operational satellites. Today, this problem has only intensified, as the space sector is constantly expanding. The growing congestion of the main orbital regions is increasing the risk of on-orbit collisions, posing a threat to long-term sustainability of space activities. Consequently, it is crucial to develop new methods and tools for the design of Collision Avoidance Manoeuvres. This thesis describes the implementation of extensions to an existing Virtual Reality application, developed at Politecnico di Milano using the open source Godot Game Engine. The software enables the visualisation of objects orbiting the Earth and the design of manoeuvres using a Head Mounted Display. The implemented changes consist of extending the current mathematical model with a fuel-optimal strategy and adjusting the graphical interface to allow the selection of the new option. The previous version of the application contained two strategies: one that maximises the miss distance between the spacecraft and debris, and the second that minimises the probability of collision. In both cases the user had to choose the magnitude of the velocity impulse, while the new strategy computes the impulse automatically based on a prescribed minimum miss distance or maximum probability of collision. With further development, this application has the potential to become a valuable educational tool, which could be used to raise awareness of the space debris issue. It can also be used to teach about the design of Collision Avoidance Manoeuvres, as the visualisation inside the immersive environment enhances the understanding of orbital geometry modifications, which can be an abstract topic.

Da quando l'umanità ha iniziato il suo viaggio nello spazio, il numero di detriti spaziali in orbita ha superato quello dei satelliti operativi. Oggi questo problema si è solo intensificato, poiché il settore spaziale è in continua espansione. La crescente congestione delle principali regioni orbitali sta aumentando il rischio di collisioni in orbita, minacciando la sostenibilità a lungo termine delle attività spaziali. Di conseguenza, è fondamentale sviluppare nuovi metodi e strumenti per la progettazione di Manovre di Anticollisione. Questa tesi descrive l'implementazione di estensioni a un'applicazione di realtà virtuale esistente, sviluppata dal Politecnico di Milano utilizzando il Godot Game Engine open source. Il software consente la visualizzazione di oggetti in orbita attorno alla Terra e la progettazione di manovre utilizzando un visore Head Mounted Display. Le modifiche implementate consistono nell'estensione del modello matematico attuale con una strategia ottimale per il consumo di carburante e nell'adeguamento dell'interfaccia grafica per consentire la selezione della nuova opzione. La versione precedente dell'applicazione prevedeva due strategie: una che massimizzava la distanza di sicurezza tra il veicolo spaziale e i detriti e una che minimizzava la probabilità di collisione. In entrambi i casi l'utente doveva scegliere l'entità dell'impulso di velocità, mentre la nuova strategia calcola automaticamente l'impulso in base a una distanza di sicurezza minima prestabilita o alla probabilità massima di collisione. Con un ulteriore sviluppo, questa applicazione ha il potenziale per diventare un prezioso strumento didattico, che potrebbe essere utilizzato per sensibilizzare l'opinione pubblica sul problema dei detriti spaziali. Può anche essere utilizzata per insegnare la progettazione delle Manovre di Anticollisione, poiché la visualizzazione all'interno dell'ambiente immersivo migliora la comprensione delle modifiche della geometria orbitale, che può essere un argomento astratto.