Autonomous Guidance and Navigation for Mars Aerobraking via the MARCONI Positioning System

Mars is the target of emerging exploration endeavours by, among others, the European Space Agency (ESA). To support an increasing number of missions, the deployment of navigation and communication constellations around Mars is planned. Autonomous aerobraking is one of the available options to achieve this goal, by saving ∆v in the order of 1 km/s without the need for extensive human supervision. While there are promising approaches for autonomous aerobraking guidance, no attempts at autonomous navigation or collision avoidance have been made yet. The goal of this thesis is to enable fully autonomous aerobraking, by proposing autonomous navigation and collision avoidance algorithms, as well as advancing existing guidance methods. To achieve autonomous navigation, ESA's planned Martian satellite navigation and communication system MARCONI is used to provide state estimation during aerobraking. Three navigation approaches based on least squares batch filtering are developed and compared in two diverse scenarios in a high-fidelity simulation environment. They show promising performance in combination with state-of-the-art guidance algorithms. Existing autonomous aerobraking guidance methods usually focus on minimizing the overall ∆v. This ∆v however, is already in the order of ∼10 m/s, so reducing it can only save limited fuel. Compared to this, other factors, such as the number of performed manoeuvres, become relevant. This is why a novel aerobraking guidance algorithm based on mixed-integer linear programming, called MIPC, is developed. It allows significant control over the optimization objective during aerobraking. Substantial improvements in terms of the number of required manoeuvres and ∆v are shown compared to other proposed autonomous guidance schemes. Lastly, there is a significant risk of collisions with other Martian satellites in the late stage of aerobraking, usually requiring extensive monitoring and manoeuvre planning by ground operators. This is why an autonomous collision detection and avoidance algorithm is developed and tested on exemplary collision scenarios. These tests show that autonomous collision avoidance is possible and effective, and open the door for future research.

Marte è l'obiettivo di nuove iniziative di esplorazione promosse, tra gli altri, dall'Agenzia Spaziale Europea (ESA). Per supportare il crescente numero di mission, è in programma la realizzazione di costellazioni intorno a Marte per fornire servizi di navigazione e comunicazione. L'aerobraking autonomo è una delle opzioni disponibili per raggiungere questo obiettivo, consentendo un risparmio di ∆v dell'ordine di 1 km/s, senza la necessità di un'ampia supervisione umana. Sebbene esistano approcci promettenti per la guida autonoma dell'aerobraking, non sono ancora stati effettuati tentativi di navigazione autonoma o di prevenzione delle collisioni. L'obiettivo di questa tesi è consentire l'aerobraking completamente autonomo proponendo algoritmi autonomi di navigazione e prevenzione delle collisioni e migliorando i metodi di guida esistenti. Per ottenere la navigazione autonoma, viene utilizzato il sistema di navigazione satellitare e comunicazione marziano MARCONI progettato dall'ESA. Sono stati sviluppati tre approcci basati sul filtraggio batch least squares. Mostrano prestazioni promettenti in combinazione con algoritmi di guida all'avanguardia. I metodi di guida autonomi esistenti per l'aerobraking si concentrano solitamente sulla minimizzazione del ∆v complessivo, che è già di per sé ridotto, quindi altri fattori, come il numero di manovre eseguite, assumono rilevanza rispetto ad esso. Per questo motivo è stato sviluppato un nuovo algoritmo di guida per l'aerobraking basato sulla mixed-integer linear programming, denominato MIPC. Esso consente un controllo significativo sull'obiettivo di ottimizzazione durante l'aerobraking. Rispetto ad altri schemi di guida autonoma proposti, in letteratura, si osservano miglioramenti sostanziali in termini di numero di manovre richieste e ∆v . Infine, nella fase finale dell'aerobraking esiste un rischio significativo di collisioni con altri satelliti marziani, che di solito richiede un monitoraggio approfondito e una pianificazione delle manovre da parte degli operatori a terra. Per questo motivo è stato sviluppato un algoritmo autonomo di rilevamento e prevenzione delle collisioni. I primi test dimostrano che la prevenzione autonoma delle collisioni è possibile ed efficace, aprendo la strada a future ricerche.