Hybrid optical-radiometric navigation for CubeSats in deep space

In order to define the mission costs due to the use of CubeSats for interplanetary travels, one of the most important factors and so far not scalable with the miniaturization of the technology was the cost of Flight Dynamics support, due to the adoption of the same navigation techniques used for larger satellites, namely based on the ground stations support. During this thesis activity the focus was firstly on assessing the feasibility of autonomous optical navigation by observing the planets of the solar system, and on the definition and test of different criteria to determine the best sequence of observations. This solution was then compared with a solely radiometric navigation using ground support. Several filters were then applied to the process of orbit determination and the results obtained were analyzed to define what best suited the specific problem. At this point, the thesis activity focused on characterizing, through qualitative and quantitative criteria, the choice of an optimal sequence of hybrid navigation that used both types of data. Finally a dynamical model that allows to get a better accuracy knowledge of the spacecraft state is proposed.

Nel definire i costi di missione nell'ambito dell'utilizzo di CubeSats per viaggi interplanetari una delle voci più importanti e finora non scalabile con il miniaturizzarsi della tecnologia sono i costi di Flight Dynamics, dovuti all'adozione delle stesse tecniche di navigazione utilizzate per sonde di dimensioni maggiori, ossia tramite supporto delle stazioni di terra. Con questo lavoro di tesi si è in primo luogo analizzata la fattibilità di una navigazione autonoma mediante osservazione dei pianeti del sistema solare, definendo e testando diversi criteri per determinare la migliore sequenza con cui puntarli. La soluzione trovata è stata poi comparata con una navigazione esclusivamente radiometrica. Sono stati quindi applicati diversi filtri al processo di determinazione dell'orbita e analizzati i risultati ottenuti per determinare quello che più si addiceva al problema considerato. L'attività di tesi si è poi concentrata nel caratterizzare mediante criteri qualitativi e quantitativi la scelta di una sequenza ottima di navigazione ibrida che utilizzasse ambedue le tipologie di dati. Infine l'attenzione è stata volta nel definire un modello dinamico che permettesse di ottenere una maggiore accuratezza nella stima dello stato.