Autonomous navigation for interplanetary CubeSats

One of the biggest technological challenges related to interplanetary CubeSat missions is navigation. The current navigation techniques for deep space missions rely on radiometric measurements and ground-based orbit determination, while for CubeSats autonomous navigation is needed due to the limited communicating capability and the need to cap operation costs. This work presents general-purpose optical navigation strategies for standalone interplanetary CubeSats, both in deep space and in proximity of a planet or moon. While in deep space, the position vector may be triangulated by observing the visible planets, whose line of sight directions are obtained by star trackers. An extended Kalman filter is applied to increase the accuracy of the method. When close to a planet or moon the full disk navigation can be applied. This navigation technique has been implemented in the Lunar Meteoroid Impact Observer (LUMIO) mission. LUMIO is a 12U CubeSat placed in a Halo orbit at Earth-Moon L2 to observe, quantify, and characterise the meteoroid impacts on the lunar farside with the LUMIO-Cam. The CubeSat position is retrieved by linking the Moon size and shape in an image with the real ones, provided that the Moon ephemeris and the CubeSat attitude are known. The LUMIO autonomous navigation performances are tested by generating synthetic Moon images with POV-Ray and an extended Kalman filter is implemented to increase the position estimation accuracy. The thesis discusses the deep space and the close range navigation methodologies and reports their performances, showing that low-cost, autonomous navigation and operation is feasible for interplanetary CubeSats.

Una delle principali sfide tecnologiche riguardanti le missioni di CubeSat interplanetari è la navigazione. Le attuali tecniche di navigazione per missioni nello spazio profondo sono basate su misure radiometriche e determinazione dell'orbita da terra, mentre per i CubeSat la navigazione autonoma è necessaria a causa della limitata capacità di comunicazione e l'esigenza di abbattere i costi. Questo lavoro presenta delle strategie di navigazione per CubeSat interplanetari autonomi, sia per lo spazio profondo che sia in prossimità di un pianeta o di una luna. Mentre nello spazio profondo, il vettore posizione può essere triangolato osservando i pianeti visibili, le cui direzioni sono ottenute dagli star trackers. Un filtro di Kalman esteso è implementato per aumentare l'accuratezza del metodo. Quando in prossimità di un pianeta o di una luna la navigazione utilizzando il disco visibile può essere applicata. Questa tecnica di navigazione è stata implementata nella missione LUMIO (Lunar Meteoroid Impact Observer). LUMIO è un 12U CubeSat posizionato in un'orbita Halo nel punto L2 del sistema Terra-Luna per osservare, quantificare e caratterizzare gli impatti di meteoroidi sulla faccia lontana della luna con la LUMIO-Cam. La posizione del CubeSat è ottenuta collegando la dimensione e la forma della Luna in una foto con quelle reali, assicurato che le effemeridi della Luna e l'assetto del CubeSat siano noti. Le performance della navigazione autonoma per LUMIO sono testate generando immagini sintetiche della Luna con POV-Ray ed un filtro di Kalman esteso è implementato per aumentare l'accuratezza del metodo. La tesi discute le due metodologie di navigazione e riporta le loro performance, mostrando che una navigazione a basso costo ed autonoma è fattibile per i CubeSat interplanetari.