B4005 - SPACECRAFT DEEP SPACE NAVIGATION

Conoscenze e abilità da conseguire

The student learns in detail the techniques to perform the navigation of an artificial satellite outside the Earth orbit, from the cis-lunar to the deep space environment. The first part of the course focuses on the orbit determination process, used to estimate the past trajectory of a spacecraft from a set of measurements. In the second part, the main strategies to correct the deviations from the reference trajectory are explained. The theoretical framework is complemented by real-world examples and practical exercises using tracking data from past and ongoing deep space missions.

Contenuti

Determinazione orbitale:

- Introduzione: concetti, sistemi di terra e di bordo, tempi e sistemi di riferimento.

- Modello dinamico: le equazioni variazionali, problema degli N-corpi, gravità estesa, effetti relativistici, perturbazioni non gravitazionali.

- Osservabili: range, Doppler, DDOR, ottiche. Fonti di errore e calibrazioni. Modelli delle osservabili, problema del tempo-luce.

- Posizione della stazione di terra: sistemi di riferimento, orientamento della Terra, maree.

- Filtri di stima: minimi quadrati batch linearizzato, informazioni a priori, vincoli, parametri considerati, parametri stocastici, valutazione della soluzione.

- Esperimenti di radio scienza: gravità, radio occultazioni, radar bistatico.

Guida:

- Metodi di targeting per manovre.

- La matrice K-inversa.

Analisi di navigazione:

- Definizione dei requisiti.

- Definizione procedure e tempistiche.

- Esempi di missioni reali (New Horizons, LICIACube, BepiColombo, Cassini, Juno, Europa Clipper, Rosetta, Hera).

Testi/Bibliografia

Slides distribuite dal docente.

Per approfondire:

- James Miller, "Planetary spacecraft navigation", ISBN: 978-3-319-78915-6, Springer Cham (2018)

- Byron D. Tapley, Bob E. Schutz and George H. Born, "Statistical Orbit Determination", ISBN: 978-0-12-683630-1, Academic Press (2004)

- Theodore D. Moyer, "Formulation for Observed and Computed Values of Deep Space Network Data Types for Navigation", ISBN: 9780471445357, John Wiley & Sons (2003)

- David A. Vallado, “Fundamentals of Astrodynamics and Applications” (Fourth Edition), ISBN: 978-11881883180, Microcosm Press (2013)

- Richard H. Battin, “An introduction to the mathematics and methods of astrodynamics” ISBN 1-56347-342-9, AIAA education series (1999)

Metodi didattici

Nelle ore di lezione si procede all'esposizione degli argomenti, alla dimostrazione esplicita di tutte le formule presentate ed alla presentazione dei metodi di soluzione dei problemi matematici ed ingegneristici posti nelle ore di esercitazione.

Alcuni argomenti sono approfonditi tramite esercitazioni pratiche utilizzando Python.

In considerazione della tipologia di attività e dei metodi didattici adottati, la frequenza di questa attività formativa richiede la preventiva partecipazione di tutti gli studenti ai moduli 1 e 2 di formazione sulla sicurezza nei luoghi di studio, in modalità e-learning.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L'esame consta di tre domande con le quali si accerterà, oltre alle conoscenze di base sugli argomenti affrontati a lezione, la capacità dello studente di risolvere problemi nuovi o almeno di impostarne la corretta strategia risolutiva. L'accertamento di tale capacità ha un peso fondamentale nell'attribuzione del voto finale. Lo studente deve raggiungere la sufficienza in almeno due delle tre domande poste dal docente per superare l'esame. La capacità di risolvere problemi ingegneristici e matematici particolarmente complessi e la dimostrazione di un particolare livello di approfondimento dello studio sono fattori importanti per l'eventuale attribuzione della lode.

Strumenti a supporto della didattica

Vengono utilizzati, oltre alla lavagna, videoproiettore, lavagna luminosa e PC

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Marco Zannoni