Estimation of the ephemerides and gravity fields of the Galilean moons through orbit determination of the JUICE mission

Jupiter and its moons are a complex dynamical system that include several phenomenon like tides interactions, moon's librations and resonances. One of the most interesting characteristics of the Jovian system is the presence of the Laplace resonance, where the orbital periods of Ganymede, Europa and Io maintain a 4:2:1 ratio respectively. It is interesting to study the role of the Laplace Resonance in the dynamic of the system, especially regarding the dissipative nature of the tidal interaction between Jupiter and its closest moon, Io. Numerous theories have been proposed regarding the orbital evolution of the Galilean satellites, but they disagree about the amount of dissipation of the system, therefore about the magnitude and the direction of the evolution of the system, mainly because of the lack of experimental data. The future JUICE space mission is a great opportunity to solve this dispute. JUICE is an ESA (European Space Agency) L-class mission (the largest category of missions in the ESA Cosmic Vision) that, at the beginning of 2030, will be inserted in the Jovian system and that will perform several flybys of the Galilean satellites, with the exception of Io. Subsequently, during the last part of the mission, it will orbit around Ganymede for nine months, with a possible extension of the mission. The data that JUICE will collect during the mission will have an exceptional accuracy, allowing to investigate several aspects of the dynamics the system, especially, the evolution of Laplace Resonance of the Galilean moons and its stability. This thesis will focus on the JUICE mission, in particular in the gravity estimation and orbit reconstruction of the Galilean satellites during the Jovian orbital phase using radiometric data. This is accomplished through an orbit determination technique called multi-arc approach, using the JPL's orbit determination software MONTE (Mission-analysis, Operations and Navigation Tool-kit Environment).

Numerical integration errors in deep space orbit determination

Il progetto di tesi è stato sviluppato durante il periodo di tirocinio svolto all’interno del “Laboratorio di Radio Scienza ed Esplorazione Planetaria” da un'esperienza da cui prende il nome lo stesso elaborato: ”Numerical integration errors in deep space orbit determination”. Lo scopo del sopraccitato laboratorio è stato quello di studiare in modo approfondito il problema kepleriano dei due corpi, per poi passare ad un’analisi del problema dei tre corpi e successivamente a n corpi (con particolare attenzione alle orbite dei satelliti medicei di Giove). Lo studio è stato affiancato ad un costante utilizzo della piattaforma di programmazione Matlab per l’elaborazione e la stesura di codici per il calcolo di traiettorie orbitali ed errori numerici. Infatti, il fulcro del lavoro è stato proprio il confronto di vari integratori e degli errori numerici derivanti dall’integrazione. Nella tesi, dapprima, viene introdotto il sistema Gioviano, vengono presentati i satelliti medicei, delineate le caratteristiche fisiche fondamentali e i principali motivi che portano ad avere particolare interesse nel conoscere lo sviluppo orbitale di tale sistema. In seguito, l'elaborato, dopo una dettagliata descrizione teorica del problema dei due corpi, presenta un codice per la rappresentazione di orbite kepleriane e il calcolo dei relativi errori commessi dal metodo numerico rispetto a quello analitico. Nell'ultimo capitolo, invece, il problema è esteso a più corpi dotati di massa e a tal proposito viene proposto un codice per la rappresentazione delle orbite descritte nel tempo da n corpi, date le condizioni iniziali, e il calcolo dei rispettivi errori nel sistema di riferimento (r,t,n). In merito a ciò, vengono infine testati diversi integratori per cercare quello con le migliori performance e sono poi analizzati alcuni parametri in input al problema per verificare sotto quali condizioni l’integratore lavora meglio.

Design of a GNSS receiver for the ESEO mission

This thesis was carried out inside the ESA's ESEO mission and focus in the design of one of the secondary payloads carried on board the spacecraft: a GNSS receiver for orbit determination. The purpose of this project is to test the technology of the orbit determination in real time applications by using commercial components. The architecture of the receiver includes a custom part, the navigation computer, and a commercial part, the front-end, from Novatel, with COCOM limitation removed, and a GNSS antenna. This choice is motivated by the goal of demonstrating the correct operations in orbit, enabling a widespread use of this technology while lowering the cost and time of the device’s assembly. The commercial front-end performs GNSS signal acquisition, tracking and data demodulation and provides raw GNSS data to the custom computer. This computer processes this raw observables, that will be both transferred to the On-Board Computer and then transmitted to Earth and provided as input to the recursive estimation filter on-board, in order to obtain an accurate positioning of the spacecraft, using the dynamic model. The main purpose of this thesis, is the detailed design and development of the mentioned GNSS receiver up to the ESEO project Critical Design Review, including requirements definition, hardware design and breadboard preliminary test phase design.

Estimation of the satellite ephemerides of Saturn using optical navigation pictures of Cassini

The goal of this dissertation thesis is the estimation of the Saturnian satellites ephemerides using optical data of Cassini. In the first part we describe the software employed for the reduction of the images showing its main features and the accuracy that can be achieved comparing the results with published astrometry. Afterwards we describe the orbit determination problem (ODP) with particular focus on the weights selection for the estimation process. The third chapter describes the dynamical model used and the sources of potential errors in the residuals. The model have been validated trying to replicate JPL's published ephemerides SAT365, SAT375, SAT389 and SAT409. The final part investigates the residuals and the estimated ephemerides with particular focus on the giant moon Titan, the only in the solar system with an atmosphere other than the Earth. No astrometry have been retrieved in literature of Titan using optical observables, thus this represents one of the first investigations of the giant.

Confronto fra metodi di stima di frequenza tramite auto-regressione e metodi di analisi spettrale per la generazione di osservabili radiometriche in ambito Deep-Space

A partire dal problema di orbit determination per una sonda in deep-space, la tesi si concentra su sviluppo e confronto di algoritmi di stima della frequenza di segnali analitici per la verifica delle loro performance di accuratezza nella generazione di osservabili doppler. Le tecniche poste a confronto appartengono a due categorie: due tempo-discrete ed una spettrale; in particolare si vuole valutare come la modellazione ARMA dei segnali possa beneficiare le prime al punto da poterle considerare alternative all'altezza degli standard del settore aerospaziale.