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).

Missione JUICE: analisi delle opportunità per esperimenti di radar bistatico su Ganimede

Esperimenti di radar bistatico sono stati impiegati con successo nell’esplorazione spaziale ai fini di sondare a distanza superfici planetarie attraverso la riflessione di un segnale radio da parte di un corpo bersaglio. Un'appropriata analisi degli echi riflessi può fornire informazioni sulla struttura, sulla composizione chimica e sulla rugosità della superficie del target su scale proporzionali alle lunghezze d’onda trasmesse. Nel seguente studio si propone la modellazione della geometria del collegamento radio tra JUICE e la Terra per trovare opportunità per la sonda di eseguire esperimenti di radar bistatico sulla superficie di Ganimede, durante i soli flyby della luna. Questi, anche se ancora non è stato programmato con dettaglio nella fase scientifica della missione, potrebbero coincidere con finestre temporali plausibili per l’implementazione degli esperimenti analizzati. Ulteriori considerazioni vertono poi sull’angolo di incidenza e sull’effetto che questo avrà sull’accuratezza della stima della costante dielettrica superficiale della luna, effettuabile con osservazioni bistatiche. L’algoritmo principale per il calcolo del punto speculare e i grafici presentati, sono stati implementati con l’ausilio del software MATLAB e del toolkit SPICE. I risultati ottenuti, analizzando i flyby presi a riferimento, mostrano come la geometria della missione, per la maggior parte di essi, non sia la più favorevole per poter effettuare questo tipo di osservazione. Solo tre dei sette flyby analizzati: G04, G05 e G06, risultano avere una geometria favorevole per esperimenti di radar. bistatico su Ganimede.