• autonomous
• Lunar mission
• mission management
• multi-agent
• proximity operations

Versione italiana:
Negli ultimi decenni l’interesse della comunità scientifica e dei partner commerciali nei confronti dell’esplorazione e della colonizzazione dello spazio è aumentato in modo costante, fino alla presentazione di progetti all’avanguardia come Artemis e Lunar Gateway di NASA, Moonlight di ESA e MUSAPOEM di ASI. Questa tesi si basa proprio sul progetto MUSAPOEM, che riguarda la creazione di algoritmi di Guida, Navigazione e Mission management per operazioni di prossimità attorno a Terra e Luna. In particolare, si considera una formazione di 4 satelliti, di cui uno passivo, uno che deve effettuare rendezvous, uno di monitoraggio e uno di comunicazione, in moto su orbite non-Kepleriane attorno alla Luna. L’orbita centrale considerata è la NRHO immaginata per il Lunar Gateway, mentre per i satelliti di comunicazione e osservazione sono state scelte delle orbite quasi-periodiche, non molto utilizzate nello stato dell’arte. Il lavoro si svolge nel Circular Restricted Three-Body Problem, alcuni degli strumenti necessari sono le equazioni della dinamica relativa, il metodo dell’aggiunta per il calcolo delle manovre bi-impulsive di trasferimento degli agenti e l’analisi della formazione dal punto di vista di presenza di collisioni, costo di manovra, connettività del grafo, tempo di assenza di comunicazione e distanze relative tra gli agenti.
Per la gestione della formazione sono stati utilizzati due approcci: uno centralizzato ed uno decentralizzato.
Per l’approccio centralizzato sono stati sviluppati 3 algoritmi: brute force per l’analisi di tutte le possibili combinazioni di orbite su un pool discreto, ottimizzazione discreta sul pool precostruito e ottimizzazione basata su algoritmi genetici con variabili decisionali continue.
Per l’approccio decentralizzato è stato sviluppato un algoritmo sequenziale basato su priorità, mentre un approccio parallelo è stato considerato ma non implementato.
In seguito alla validazione delle equazioni e degli strumenti utilizzati, l’analisi degli algoritmi è stata effettuata tramite simulazioni sia con condizioni iniziali fissate che casuali, per verificarne ripetibilità e robustezza, e i risultati sono presentati tenendo conto del completamento dei task assegnati, il rispetto dei vincoli (comunicazione, distanza, sicurezza), il tempo di calcolo necessario e il costo di trasferimento degli agenti sulle orbite desiderate.
Possibili sviluppi futuri sono l’implementazione dell’approccio parallelo, l’implementazione su framework ROS e l’utilizzo di Manifold stabili e instabili per lo studio di traiettorie a basso costo di trasferimento.


English version:
In recent decades, the interest of the scientific community and commercial partners in space exploration and colonization has steadily increased, leading to the presentation of cutting-edge projects such as NASA's Artemis and Lunar Gateway, ESA's Moonlight, and ASI's MUSAPOEM. This thesis is based precisely on the MUSAPOEM project, which concerns the creation of Guidance, Navigation and Mission management algorithms for proximity operations around Earth and Moon. Specifically, we consider a formation of 4 satellites, including one passive, one to rendezvous, one to monitor and one to communicate, in motion on non-Keplerian orbits around the Moon. The central orbit considered is the NRHO envisioned for the Lunar Gateway, while quasi-periodic orbits, not widely used in the state of the art, were chosen for the communication and observation satellites. The work is carried out in the Circular Restricted Three-Body Problem, some of the tools needed are the relative dynamics equations, the adjoint method for calculating bi-impulsive agent transfer maneuvers, and formation analysis from the perspectives of collision occurrence, maneuver cost, graph connectivity, no-communication time, and relative distances between agents.
Two approaches were used for the formation management: a centralized and a decentralized approach.
For the centralized approach, 3 algorithms were developed: brute force for analyzing all possible combinations of orbits on a discrete pool, discrete optimization on the preconstructed pool, and optimization based on genetic algorithms with continuous decision variables.
A priority-based sequential algorithm was developed for the decentralized approach, while a parallel approach was considered but not implemented.
Following the validation of the equations and tools used, the analysis of the algorithms was carried out through simulations with both fixed and random initial conditions to verify repeatability and robustness, and the results are presented taking into account the completion of the assigned tasks, adherence to constraints (communication, distance, security), computation time required, and the cost of transferring agents to the desired orbits.
Possible future developments are the implementation of the parallel approach, implementation on ROS frameworks, and the use of stable and unstable Manifolds for the study of low transfer cost trajectories.