Deep, deep, space.

Información, con actividades, para los jóvenes lectores interesados en explorar los diferentes astros y cómo han avanzado las técnicas para la exploración del espacio. Además de las fotografías,los niños descubrirán una amplia gama de temas. Incluye ilustraciones con dibujos animados, pasatiempos y preguntas con respuestas.

Search space pruning and global optimization of multiple gravity assist trajectories with deep space manoeuvres

This paper deals with the design of optimal multiple gravity assist trajectories with deep space manoeuvres. A pruning method which considers the sequential nature of the problem is presented. The method locates feasible vectors using local optimization and applies a clustering algorithm to find reduced bounding boxes which can be used in a subsequent optimization step. Since multiple local minima remain within the pruned search space, the use of a global optimization method, such as Differential Evolution, is suggested for finding solutions which are likely to be close to the global optimum. Two case studies are presented.

Global trajectory optimisation: can we prune the solution space when considering deep space manoeuvres?

This document contains a report on the work done under the ESA/Ariadna study 06/4101 on the global optimization of space trajectories with multiple gravity assist (GA) and deep space manoeuvres (DSM). The study was performed by a joint team of scientists from the University of Reading and the University of Glasgow.

Troposphere Calibration Techniques for Deep Space Probe Tracking

Ground-based Earth troposphere calibration systems play an important role in planetary exploration, especially to carry out radio science experiments aimed at the estimation of planetary gravity fields. In these experiments, the main observable is the spacecraft (S/C) range rate, measured from the Doppler shift of an electromagnetic wave transmitted from ground, received by the spacecraft and coherently retransmitted back to ground. If the solar corona and interplanetary plasma noise is already removed from Doppler data, the Earth troposphere remains one of the main error sources in tracking observables. Current Earth media calibration systems at NASA’s Deep Space Network (DSN) stations are based upon a combination of weather data and multidirectional, dual frequency GPS measurements acquired at each station complex. In order to support Cassini’s cruise radio science experiments, a new generation of media calibration systems were developed, driven by the need to achieve the goal of an end-to-end Allan deviation of the radio link in the order of 3×〖10〗^(-15) at 1000 s integration time. The future ESA’s Bepi Colombo mission to Mercury carries scientific instrumentation for radio science experiments (a Ka-band transponder and a three-axis accelerometer) which, in combination with the S/C telecommunication system (a X/X/Ka transponder) will provide the most advanced tracking system ever flown on an interplanetary probe. Current error budget for MORE (Mercury Orbiter Radioscience Experiment) allows the residual uncalibrated troposphere to contribute with a value of 8×〖10〗^(-15) to the two-way Allan deviation at 1000 s integration time. The current standard ESA/ESTRACK calibration system is based on a combination of surface meteorological measurements and mathematical algorithms, capable to reconstruct the Earth troposphere path delay, leaving an uncalibrated component of about 1-2% of the total delay. In order to satisfy the stringent MORE requirements, the short time-scale variations of the Earth troposphere water vapor content must be calibrated at ESA deep space antennas (DSA) with more precise and stable instruments (microwave radiometers). In parallel to this high performance instruments, ESA ground stations should be upgraded to media calibration systems at least capable to calibrate both troposphere path delay components (dry and wet) at sub-centimetre level, in order to reduce S/C navigation uncertainties. The natural choice is to provide a continuous troposphere calibration by processing GNSS data acquired at each complex by dual frequency receivers already installed for station location purposes. The work presented here outlines the troposphere calibration technique to support both Deep Space probe navigation and radio science experiments. After an introduction to deep space tracking techniques, observables and error sources, in Chapter 2 the troposphere path delay is widely investigated, reporting the estimation techniques and the state of the art of the ESA and NASA troposphere calibrations. Chapter 3 deals with an analysis of the status and the performances of the NASA Advanced Media Calibration (AMC) system referred to the Cassini data analysis. Chapter 4 describes the current release of a developed GNSS software (S/W) to estimate the troposphere calibration to be used for ESA S/C navigation purposes. During the development phase of the S/W a test campaign has been undertaken in order to evaluate the S/W performances. A description of the campaign and the main results are reported in Chapter 5. Chapter 6 presents a preliminary analysis of microwave radiometers to be used to support radio science experiments. The analysis has been carried out considering radiometric measurements of the ESA/ESTEC instruments installed in Cabauw (NL) and compared with the requirements of MORE. Finally, Chapter 7 summarizes the results obtained and defines some key technical aspects to be evaluated and taken into account for the development phase of future instrumentation.

An Integrated Transmission-Media Noise Calibration Software For Deep-Space Radio Science Experiments

The thesis describes the implementation of a calibration, format-translation and data conditioning software for radiometric tracking data of deep-space spacecraft. All of the available propagation-media noise rejection techniques available as features in the code are covered in their mathematical formulations, performance and software implementations. Some techniques are retrieved from literature and current state of the art, while other algorithms have been conceived ex novo. All of the three typical deep-space refractive environments (solar plasma, ionosphere, troposphere) are dealt with by employing specific subroutines. Specific attention has been reserved to the GNSS-based tropospheric path delay calibration subroutine, since it is the most bulky module of the software suite, in terms of both the sheer number of lines of code, and development time. The software is currently in its final stage of development and once completed will serve as a pre-processing stage for orbit determination codes. Calibration of transmission-media noise sources in radiometric observables proved to be an essential operation to be performed of radiometric data in order to meet the more and more demanding error budget requirements of modern deep-space missions. A completely autonomous and all-around propagation-media calibration software is a novelty in orbit determination, although standalone codes are currently employed by ESA and NASA. The described S/W is planned to be compatible with the current standards for tropospheric noise calibration used by both these agencies like the AMC, TSAC and ESA IFMS weather data, and it natively works with the Tracking Data Message file format (TDM) adopted by CCSDS as standard aimed to promote and simplify inter-agency collaboration.

Simulation of bistatic radar experiments with deep space missions

L’obiettivo del lavoro esposto nella seguente relazione di tesi ha riguardato lo studio e la simulazione di esperimenti di radar bistatico per missioni di esplorazione planeteria. In particolare, il lavoro si è concentrato sull’uso ed il miglioramento di un simulatore software già realizzato da un consorzio di aziende ed enti di ricerca nell’ambito di uno studio dell’Agenzia Spaziale Europea (European Space Agency – ESA) finanziato nel 2008, e svolto fra il 2009 e 2010. L’azienda spagnola GMV ha coordinato lo studio, al quale presero parte anche gruppi di ricerca dell’Università di Roma “Sapienza” e dell’Università di Bologna. Il lavoro svolto si è incentrato sulla determinazione della causa di alcune inconsistenze negli output relativi alla parte del simulatore, progettato in ambiente MATLAB, finalizzato alla stima delle caratteristiche della superficie di Titano, in particolare la costante dielettrica e la rugosità media della superficie, mediante un esperimento con radar bistatico in modalità downlink eseguito dalla sonda Cassini-Huygens in orbita intorno al Titano stesso. Esperimenti con radar bistatico per lo studio di corpi celesti sono presenti nella storia dell’esplorazione spaziale fin dagli anni ’60, anche se ogni volta le apparecchiature utilizzate e le fasi di missione, durante le quali questi esperimenti erano effettuati, non sono state mai appositamente progettate per lo scopo. Da qui la necessità di progettare un simulatore per studiare varie possibili modalità di esperimenti con radar bistatico in diversi tipi di missione. In una prima fase di approccio al simulatore, il lavoro si è incentrato sullo studio della documentazione in allegato al codice così da avere un’idea generale della sua struttura e funzionamento. È seguita poi una fase di studio dettagliato, determinando lo scopo di ogni linea di codice utilizzata, nonché la verifica in letteratura delle formule e dei modelli utilizzati per la determinazione di diversi parametri. In una seconda fase il lavoro ha previsto l’intervento diretto sul codice con una serie di indagini volte a determinarne la coerenza e l’attendibilità dei risultati. Ogni indagine ha previsto una diminuzione delle ipotesi semplificative imposte al modello utilizzato in modo tale da identificare con maggiore sicurezza la parte del codice responsabile dell’inesattezza degli output del simulatore. I risultati ottenuti hanno permesso la correzione di alcune parti del codice e la determinazione della principale fonte di errore sugli output, circoscrivendo l’oggetto di studio per future indagini mirate.

Doppler Orbit Determination of Deep Space Probes by the Bernese GNSS Software: First Results of the Combined Orbit Determination from DSN and Inter-Satellite Ka-Band Data from the Grail Mission

Navigation of deep space probes is most commonly operated using the spacecraft Doppler tracking technique. Orbital parameters are determined from a series of repeated measurements of the frequency shift of a microwave carrier over a given integration time. Currently, both ESA and NASA operate antennas at several sites around the world to ensure the tracking of deep space probes. Just a small number of software packages are nowadays used to process Doppler observations. The Astronomical Institute of the University of Bern (AIUB) has recently started the development of Doppler data processing capabilities within the Bernese GNSS Software. This software has been extensively used for Precise Orbit Determination of Earth orbiting satellites using GPS data collected by on-board receivers and for subsequent determination of the Earth gravity field. In this paper, we present the currently achieved status of the Doppler data modeling and orbit determination capabilities in the Bernese GNSS Software using GRAIL data. In particular we will focus on the implemented orbit determination procedure used for the combined analysis of Doppler and intersatellite Ka-band data. We show that even at this earlier stage of the development we can achieve an accuracy of few mHz on two-way S-band Doppler observation and of 2 µm/s on KBRR data from the GRAIL primary mission phase.

Novel Gravity Distortion Evaluation on Large Antenna Array for Deep Space Communication

This paper presents a simple gravity evaluation model for large reflector antennas and the experimental example for a case study of one uplink array of 4x35-m antennas at X and Ka band. This model can be used to evaluate the gain reduction as a function of the maximum gravity distortion, and also to specify this at system designer level. The case study consists of one array of 35-m antennas for deep space missions. Main issues due to the gravity effect have been explored with Monte Carlo based simulation analysis.

Deep space orbit determination and guidance of the LICIACube microsatellite mission

Recently, the JPL's MarCO mission demonstrated that these probes are also mature enough to be employed in the deep space, even though with the limitations related to the employed commercial components. Currently, other deep space CubeSats are planned either as stand-alone missions or as companions of a traditional large probe. Therefore, developing a dedicated navigation suite is crucial to reaching the mission's goals, considering the limitations of the onboard components compared to typical deep space missions. In this framework, the LICIACube mission represents an ideal candidate test-bench, as it performs a flyby of the Didymos asteroid system subject to a strong position, epochs, and pointing requirements. This mission will also allow us to infer the capabilities of such microsatellites and highlight their limitations compared with the benefits of a lighter design and tailoring efforts. In this work, the OD and guidance methods and tools adopted for classical deep space missions have been tailored for the CubeSat applications and validated through extensive analyses. In addition, navigation procedures and interfaces have been designed in view of the operations foreseen in late 2022. The pre-launch covariance analysis has been performed to assess the mission's feasibility for the nominal trajectory and its associated uncertainties, based on conservative assumptions on the main parameters. Extensive sensitivity analyses have been carried out to understand the main mission parameters affecting the performance and to demonstrate the robustness of the designed trajectory and operation schedule in fulfilling the mission requirements. The developed system was also stressed by tuning the models to access different reconstruction methods for the maneuvers. The analysis demonstrated the feasibility of the LICIACube mission navigation in compliance with the mission requirements, compatible with the limited resources available, both in space and on the ground.

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.

Implementazione e caratterizzazione di PLL digitali per doppler tracking di sonde deep space

I Phase-Locked Loops sono circuiti ancora oggi utilizzati per la generazione di segnali coerenti in frequenza e in fase con i segnali in ingresso, motivo per cui sono uno degli strumenti della radio scienza per la ricostruzione dei segnali scambiati con le sonde e nascosti dal rumore accumulato nel tragitto che separa le sonde stesse dalle stazioni di tracking a terra. Questa tesi illustra l'implementazione di un PLL digitale linearizzato in Matlab e Simulink in una nuova veste rispetto al modello implementato durante l'attività di tirocinio curricolare, al fine di migliorarne le prestazioni per bassi carrier-to-noise density ratios. Il capitolo 1 si compone di due parti: la prima introduce all'ambito nel quale si inserisce il lavoro proposto, ossia la determinazione d'orbita; la seconda illustra i fondamenti della teoria dei segnali. Il capitolo 2 è incentrato sull'analisi dei Phase-Locked Loops, partendo da un'introduzione teorica e approdando all'implementazione di un modello in Simulink. Il capitolo 3, infine, mostra i risultati dell'applicazione del modello implementato in Simulink nell'analisi dei segnali di una missione realmente svolta.

Generazione di osservabili radiometriche per navigazione deep space tramite reti neurali convoluzionali

Grazie all’evoluzione degli strumenti di calcolo e delle strutture digitali, le intelligenze artificiali si sono evolute considerevolmente negli ultimi anni, permettendone sempre nuove e complesse applicazioni. L’interesse del presente progetto di tesi è quello di creare un modello di studio preliminare di intelligenza artificiale definita come Rete Neurale Convoluzionale, o Convolutional Neural Network (CNN), al fine di essere impiegata nel campo della radioscienza e dell’esplorazione planetaria. In particolare, uno degli interessi principali di applicazione del modello è negli studi di geodesia compiuti tramite determinazione orbitale di satelliti artificiali nel loro moto attorno ai corpi celesti. Le accelerazioni causate dai campi gravitazionali planetari perturbano le orbite dei satelliti artificiali, queste variazioni vengono captate dai ricevitori radio a terra sottoforma di shift Doppler della frequenza del segnale, a partire dalla quale è quindi possibile determinare informazioni dettagliate sul campo di gravità e sulla struttura interna del corpo celeste in esame. Per poter fare ciò, occorre riuscire a determinare l’esatta frequenza del segnale in arrivo, il quale, per via di perdite e disturbi durante il suo tragitto, presenterà sempre una componente di rumore. Il metodo più comune per scindere la componente di informazione da quella di rumore e ricavarne la frequenza effettiva è l’applicazione di trasformate di Fourier a tempo breve, o Short-time Fourier Transform (STFT). Con l’attività sperimentale proposta, ci si è quindi posto l’obiettivo di istruire un CNN alla stima della frequenza di segnali reali sinusoidali rumorosi per avere un modello computazionalmente rapido e affidabile a supporto delle operazioni di pre-processing per missioni di radio-scienza.

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.

Deep and near space tracking stations in support of lunar and planetary exploration missions

The aim of this dissertation is to describe the methodologies required to design, operate, and validate the performance of ground stations dedicated to near and deep space tracking, as well as the models developed to process the signals acquired, from raw data to the output parameters of the orbit determination of spacecraft. This work is framed in the context of lunar and planetary exploration missions by addressing the challenges in receiving and processing radiometric data for radio science investigations and navigation purposes. These challenges include the designing of an appropriate back-end to read, convert and store the antenna voltages, the definition of appropriate methodologies for pre-processing, calibration, and estimation of radiometric data for the extraction of information on the spacecraft state, and the definition and integration of accurate models of the spacecraft dynamics to evaluate the goodness of the recorded signals. Additionally, the experimental design of acquisition strategies to perform direct comparison between ground stations is described and discussed. In particular, the evaluation of the differential performance between stations requires the designing of a dedicated tracking campaign to maximize the overlap of the recorded datasets at the receivers, making it possible to correlate the received signals and isolate the contribution of the ground segment to the noise in the single link. Finally, in support of the methodologies and models presented, results from the validation and design work performed on the Deep Space Network (DSN) affiliated nodes DSS-69 and DSS-17 will also be reported.

Space trajectories optimization using variable-chromosome-length genetic algorithms

The problem of optimal design of a multi-gravity-assist space trajectories, with free number of deep space maneuvers (MGADSM) poses multi-modal cost functions. In the general form of the problem, the number of design variables is solution dependent. To handle global optimization problems where the number of design variables varies from one solution to another, two novel genetic-based techniques are introduced: hidden genes genetic algorithm (HGGA) and dynamic-size multiple population genetic algorithm (DSMPGA). In HGGA, a fixed length for the design variables is assigned for all solutions. Independent variables of each solution are divided into effective and ineffective (hidden) genes. Hidden genes are excluded in cost function evaluations. Full-length solutions undergo standard genetic operations. In DSMPGA, sub-populations of fixed size design spaces are randomly initialized. Standard genetic operations are carried out for a stage of generations. A new population is then created by reproduction from all members based on their relative fitness. The resulting sub-populations have different sizes from their initial sizes. The process repeats, leading to increasing the size of sub-populations of more fit solutions. Both techniques are applied to several MGADSM problems. They have the capability to determine the number of swing-bys, the planets to swing by, launch and arrival dates, and the number of deep space maneuvers as well as their locations, magnitudes, and directions in an optimal sense. The results show that solutions obtained using the developed tools match known solutions for complex case studies. The HGGA is also used to obtain the asteroids sequence and the mission structure in the global trajectory optimization competition (GTOC) problem. As an application of GA optimization to Earth orbits, the problem of visiting a set of ground sites within a constrained time frame is solved. The J2 perturbation and zonal coverage are considered to design repeated Sun-synchronous orbits. Finally, a new set of orbits, the repeated shadow track orbits (RSTO), is introduced. The orbit parameters are optimized such that the shadow of a spacecraft on the Earth visits the same locations periodically every desired number of days.