Autonomous navigation using X-ray pulsars and integrated sensor systems

The rapid growth of space missions, spanning from low-Earth orbit operations to deep-space exploration, has created a pressing need for spacecraft to determine their position and velocity autonomously. Reliance on ground-based navigation systems introduces several limitations. Autonomous navigation systems, using onboard measurements independent of Earth-based facilities, can enhance mission resilience, reduce operational workload, and support time-critical manoeuvres. Among proposed techniques, X-ray pulsars, with their stable and predictable pulse emissions, offer a natural solution for autonomous spacecraft navigation. This dissertation presents a comprehensive study of X-ray pulsar navigation and its integration with other navigation sources. It begins by examining the fundamental properties of pulsars, including pulse profiles and timing models, and develops a signal-processing pipeline that converts photon arrival times into precise navigation observables. Building on this, criteria and strategies for selecting pulsars suitable for navigation are established, accounting for measurement uncertainty, observation duration, visibility constraints, timing stability, and geometric distribution. An X-ray pulsar navigation framework is then developed using an extended Kalman filter to estimate spacecraft state, and its performance is evaluated through simulations of both Earth-Jupiter interplanetary and low-Earth-orbit missions. Finally, the work integrates pulsar-based measurements with optical and GNSS observations in a multi-sensor fusion framework, supported by covariance-based observation scheduling to optimise sensor use. Simulation results demonstrate that the integrated system enhances navigation accuracy and robustness, illustrating the potential of combining complementary measurement sources to support autonomous spacecraft operations across a range of mission scenarios.

La rapida crescita delle missioni spaziali, che spaziano dalle operazioni in orbita terrestre bassa all’esplorazione dello spazio profondo, ha creato una crescente necessità per i veicoli spaziali di determinare autonomamente la propria posizione e velocità. L’affidamento a sistemi di navigazione basati a Terra introduce diverse limitazioni. I sistemi di navigazione autonoma, basati su misure di bordo indipendenti dalle infrastrutture terrestri, possono aumentare la resilienza della missione, ridurre il carico operativo e supportare manovre sensibili ai vincoli temporali. Tra le tecniche proposte, le pulsar a raggi X, grazie alla stabilità e prevedibilità delle loro emissioni impulsive, rappresentano una soluzione naturale per la navigazione autonoma dei veicoli spaziali. Questa tesi presenta uno studio completo della navigazione basata su pulsar a raggi X e della sua integrazione con altre fonti di navigazione. Inizia con l’analisi delle proprietà fondamentali delle pulsar, includendo i profili di impulso e i modelli di temporizzazione, e sviluppa una catena di elaborazione del segnale che converte i tempi di arrivo dei fotoni in osservabili di navigazione precise. Su questa base, vengono definiti criteri e strategie per la selezione delle pulsar adatte alla navigazione, tenendo conto dell’incertezza di misura, della durata dell’osservazione, dei vincoli di visibilità, della stabilità temporale e della distribuzione geometrica. Viene quindi sviluppato un framework di navigazione basato su pulsar a raggi X che utilizza un filtro di Kalman esteso per stimare lo stato del veicolo spaziale, e le sue prestazioni vengono valutate mediante simulazioni di missioni interplanetarie Terra-Giove e di missioni in orbita terrestre bassa. Infine, il lavoro integra le misure basate su pulsar con osservazioni ottiche e GNSS in un contesto di fusione multisensore, supportato da una pianificazione delle osservazioni basata sulla covarianza per un uso efficiente dei sensori. I risultati delle simulazioni dimostrano che il sistema integrato migliora l’accuratezza e la robustezza della navigazione, evidenziando il potenziale della combinazione di fonti di misura complementari per supportare operazioni autonome dei veicoli spaziali in diversi scenari di missione.