Guidance and navigation strategies for inter-satellite tracking in cislunar space

The growing interest in lunar and cislunar exploration is leading to a rapid increase in the number of missions operating in these complex dynamical environments. This renewed focus, driven by both scientific ambitions and strategic considerations, is expected to generate a dense and heterogeneous orbital population around the Moon, which includes spacecraft with different operational needs. As a consequence, managing such missions from Earth becomes increasingly challenging, particularly for what concerns ground-based navigation and operations. These difficulties highlight the need to develop autonomous capabilities, which will be essential to ensure the safety, efficiency, and long-term sustainability of future cislunar operations. Among the autonomous navigation techniques, inter-satellite navigation emerges as a promising approach to reduce the dependence on ground control. By exploiting relative measurements between spacecraft, this method enables absolute state estimation capabilities without the need for ground-based operations. The asymmetric gravitational field of the cislunar space makes this region particularly suitable for such technique, which relies on range-only measurements in its original implementation. Furthermore, the angles-only version of inter-satellite navigation represents a valuable opportunity for spacecraft equipped with optical payloads originally intended for scientific or monitoring purposes, thus extending the applicability of autonomous navigation even to platforms with limited resources. Building on these concepts, this dissertation investigates the potential of inter-satellite navigation in the cislunar environment, with a focus on its application to autonomous orbit determination through both range-only and angles-only measurements. Specifically, different mission scenarios are analyzed, including those involving lunar and cislunar targets, and the role of this method in the context of guidance and navigation co-design is explored. The thesis indeed explores the integration of inter-satellite navigation within guidance frameworks that exploit robust optimization and information-driven maneuver planning to enhance system observability and improve navigation accuracy. The results provide an extensive characterization of the performance, limitations, and implementation trade-offs of the proposed methods. The study offers practical guidelines for the design of future cislunar missions, highlighting how autonomous inter-satellite navigation can significantly reduce the operational burden on ground infrastructure while enabling new levels of autonomy for deep-space spacecraft.

Il crescente interesse verso l’esplorazione lunare e cislunare sta portando a un rapido aumento del numero di missioni operative in questi complessi ambienti dinamici. Questo rinnovato interesse, guidato da obiettivi sia scientifici sia strategici, è destinato a generare una popolazione orbitale densa ed eterogenea attorno alla Luna, comprendente satelliti con esigenze operative differenti. Di conseguenza, la gestione di tali missioni tramite strutture di terra risulta sempre più impegnativa, in particolare per quanto riguarda le attività di navigazione e di controllo. Queste difficoltà evidenziano la necessità di sviluppare la capacità dei satelliti di agire in autonomia, in modo da garantire la sicurezza, l’efficienza e la sostenibilità a lungo termine delle future operazioni lunari e cislunari. Tra le tecniche di navigazione autonoma, la navigazione inter-satellite emerge come un approccio promettente per ridurre la dipendenza dalle stazioni di terra. Sfruttando misure relative tra satelliti, tale metodo consente di ottenere una stima autonoma dello stato orbitale assoluto senza la necessità di operazioni basate su osservazioni da Terra. L’asimmetria del campo gravitazionale cislunare rende questa regione particolarmente adatta all’applicazione di tale tecnica, originariamente concepita per l’utilizzo tramite misure di tipo range-only. Inoltre, la versione angles-only della navigazione inter-satellite rappresenta un’interessante opportunità per satelliti equipaggiati con payload ottici originariamente destinati a scopi scientifici o di monitoraggio, estendendo così l’applicabilità della navigazione autonoma anche a piattaforme con capacità limitate. Partendo da questi concetti, la presente tesi indaga il potenziale della navigazione inter-satellite nell’ambiente cislunare, con particolare attenzione alla sua applicazione per la determinazione autonoma dell’orbita basata su misure range-only e angles-only. In particolare, vengono analizzati diversi scenari di missione, inclusi quelli che coinvolgono target lunari e cislunari, esplorando inoltre il ruolo di questa tecnica nel contesto della co-progettazione degli aspetti di guida e navigazione. La tesi approfondisce infatti l’integrazione della navigazione inter-satellite all’interno di schemi di guida che sfruttano approcci di ottimizzazione robusta e pianificazione di manovre basata sull’informazione al fine di migliorare l’osservabilità del sistema e l’accuratezza della navigazione. I risultati forniscono una caratterizzazione approfondita delle prestazioni, delle limitazioni e dei compromessi implementativi dei metodi proposti. Lo studio offre inoltre linee guida pratiche per la progettazione di future missioni cislunari, evidenziando come la navigazione inter-satellite autonoma possa ridurre in modo significativo il carico operativo sulle infrastrutture di terra e abilitare nuovi livelli di autonomia per i veicoli spaziali operanti nello spazio profondo.