On-board geolocation by satellite constellations: advanced algorithms ready for programmable hardware

The objective of the thesis is the study of the geolocation systems of sources of electromagnetic waves based on satellite platforms in Low Earth Orbit (LEO). Among the main technologies, Angle of Arrival (AOA) based on arrays of antennas gained recent interest thanks to miniaturization of electronic components and has been considered as reference payload for the satellite platforms. The context of the research is at multiple levels: it started with a conceptual design of a possible abstract architecture to be implemented at hardware level in a Field Programmable Gate Array (FPGA), then it moved toward its possibility to be simulated in a dedicated environment for performance prediction. The characterization of antenna array performance has also been conducted and new frontiers on relativistic and atmospheric effects on time delay, longitude shift, changes in frequency, bending of electromagnetic waves, and beam wander have been explored. Firstly, the toymodel considered a geolocation scenario involving a single emitter of signal on the surface of the Earth and a single satellite platform, then multi-satellite systems, and also multi-constellations have been studied. Among the research objectives are: the development of algorithms of error detection and correction to be performed onboard, in particular with respect to the phenomenon of the divergence of the dispersion of the measurement due to the influence of the Attitude Determination and Control System (ADCS); the optimization of clusters of satellites; the investigation of possibility to integrate the payload in hybrid measurements with Time Difference of Arrival (TDOA) technology or the possibility to exploit opportunities of measurement from multiple constellations. The importance of the study which constitutes also the main motivation is on the set of operations of search and rescue and spectrum monitoring of jamming signals. Each research objective has been defined in order to address industrial needs or unexplored fields in the existing literature. To support the need for the development of new models, the research methodology is mainly formal and analytical, with simulation support when needed.

L'obiettivo della tesi è lo studio dei sistemi di geolocalizzazione di emettitori di onde elettromagnetiche tramite piattaforme satellitari in orbita terrestre bassa (Low Earth Orbit, LEO). Tra le principali tecnologie, quella denominata Angle of Arrival (AOA), basato su array di antenne, ha ricevuto un interesse recente crescente grazie alla miniaturizzazione dei componenti elettronici ed è stato considerato come payload di riferimento per le piattaforme satellitari oggetto di studio. Il contesto della ricerca si sviluppa su più livelli: è iniziato con la progettazione concettuale di una possibile architettura astratta da implementare a livello hardware per un Field Programmable Gate Array (FPGA), per poi evolvere verso la possibilità di poter essere simulata in un ambiente dedicato per la previsione delle prestazioni. È stata condotta la caratterizzazione delle prestazioni degli array di antenne e sono state esplorate nuove frontiere riguardanti gli effetti relativistici e atmosferici sul ritardo temporale, lo shift apparente in longitudine, le variazioni di frequenza, la rifrazione delle onde elettromagnetiche e il fenomeno del beam wander. Inizialmente, il modello di riferimento ha previsto uno scenario di geolocalizzazione considerando un singolo emettitore di segnale sulla superficie terrestre e una singola piattaforma satellitare; successivamente, sono stati studiati sia sistemi multi-satellite che di tipo multi-costellazione. Tra gli obiettivi dell'attività di ricerca ci sono: lo sviluppo di algoritmi di rilevamento e correzione degli errori da eseguire a bordo, in particolare rispetto al fenomeno della divergenza della dispersione della misura dovuta all'influenza dell'Attitude Determination and Control System (ADCS); l'ottimizzazione di cluster di satelliti; l'indagine sulla possibilità di integrare il payload in misure ibride con tecnologia Time Difference of Arrival (TDOA) o di sfruttare opportunità di misure tramite diverse costellazioni. L'importanza dello studio, che rappresenta anche la sua principale motivazione, riguarda le operazioni di ricerca e soccorso e quelle relative al monitoraggio dello spettro per l'individuazione di segnali di jamming. Ogni obiettivo di ricerca è stato definito in modo da rispondere a esigenze industriali oppure considerando campi ancora inesplorati nella letteratura scientifica. Per supportare la necessità di sviluppo di nuovi modelli, la metodologia adottata è principalmente formale e analitica, con supporto simulativo quando necessario.