Payload, orbit, and environment simulation for LUMIO mission coverage analysis

In response to the fourth edition of the SysNova competition organized by ESA, the LUMIO consortium proposed to place a CubeSat about a halo orbit around the Earth-Moon L2 Lagrangian Point. Aim of the mission is to observe, quantify, and characterise meteoroid impacts on the lunar far side. Characterisation process is performed by detecting the impact flashes. For this purpose, a methodology to estimate the number of detected impacts is needed. POE simulation allows to perform a statistical estimation of the number of detections. The CubeSat orbital path and attitude is simulated through SPICE tool. the environment is generated statistically and it is constituted by meteoroid flux and descriptors that characterize impacts. A dedicated model of mission payload, namely the LUMIO-Cam, has been developed as well. Nonetheless, methodology developed in POE is prompted to be reused for other missions. In order to maximize the number of meteoroid detections, POE may be used to optimize the CubeSat orbital path and payload specifics. In this study, since for LUMIO mission a preliminary orbital trade-off has already been performed, it has been chosen to focus on the LUMIO-Cam. As a consequence, a parametric analysis of LUMIO-Cam characteristics has been done to improve mission scientific output. The parametric analysis yields a new set of specifics, which improve the current baseline, so enhancing the scientific output of the LUMIO mission. Specifically, it is estimated an increase in the number of detections by 11% and a reduction of the LUMIO-Cam size. The size reduction grants mass, volume, and cost saving. The validation campaign of the POE simulation is presented. Estimations provided by POE are corroborated against results reported in literature. Future and present-day applications of POE methodology related with space field are discussed, both in and out of LUMIO mission context.

In risposta alla quarta edizione della competizione SysNova organizzata dall'ESA, il consorzio di LUMIO ha proposto di posizionare un CubeSat in un'orbita halo in prossimità del Punto Lagrangiano L2 del sistema Terra-Luna. Lo scopo della missione è di osservare, quantificare e caratterizzare gli impatti di meteoroidi che colpiscono il lato nascosto della Luna. Il processo di caratterizzazione è conseguito rilevando i bagliori luminosi generati dagli impatti. Per questo motivo, una metodologia per stimare la quantità di bagliori rilevati si rivela essere necessaria. POE permette di ottenere una stima statistica del numero di rilevazioni. La traiettoria del CubeSat viene simulata con SPICE. L'ambiente viene generato statisticamente ed è costituito dal flusso dei meteoroidi e da valori sintetici che descrivono gli impatti. E' inoltre stato sviluppato un modello della camera ottica, chiamata LUMIO-Cam, usata per l'osservazione del fenomeno. Tuttavia, la metodologia che caratterizza POE è intrinsecamente riadattabile ad altre missioni. Grazie a POE è possibile ottimizare la traiettoria orbitale e le specifiche della camera per massimizzare il numero di rilevazioni. Un'analisi dettagliata della traiettoria è già stata portata a termine, perciò questo studio si focalizza sul miglioramento della LUMIO-Cam. A tale scopo, è stata eseguita un'analisi parametrica per migliorare il ritorno scientifico della missione. Lo studio parametrico suggerisce una modifica di alcune specifiche della LUMIO-Cam, garantendo un miglior ritorno scientifico rispetto a quello ottenibile con le specifiche correnti. Infatti, il numero di rilevazioni cresce dell'11%, mentre i costi economici e quelli in termini di massa e ingombro diminuiscono grazie ad una riduzione delle dimensioni della camera. In aggiunta, viene presentata la campagna di validazione della metodologia su cui si basa POE. Le stime restituite dallo strumento sviluppato sono corroborate attraverso un confronto con risultati presenti in letteratura. Infine, sono discusse possibili applicazioni presenti e future di POE relative al campo spaziale, constestualemente alla missione LUMIO e al di fuori di essa.