Deep-space autonomous navigation for stand-alone CubeSats

In the next decade interplanetary exploration will be more and more dominated by the exploitation of CubeSats owing to their low-cost compared to traditional missions. Nowadays, one of the biggest challenges regarding their deep-space utilization concerns the production of satellites that are capable of operating completely autonomously, i.e., without the support of a ground facility and flight dynamics team. The thesis work is framed into this context, and its main objective regards the development of an autonomous navigation algorithm for small spacecraft applications. Indeed, particular attention is paid to both the limited computational capabilities of the on-board computer and to the average performances of the electro-optical sensor. The present work considers a deep-space CubeSat on an Earth-Mars interplanetary transfer. An Extended Kalman filter featuring line-of-sight acquisitions of planets has been developed to estimate the probe state onboard. Subsequently, the accuracy of the estimated solution is improved both by implementing the light-time effect inside the model dynamics and by exploiting the optimal acquisition of the observations. Finally, the filter is deployed and tested on a platform comparable to a miniaturized on-board computer after carrying out an in-depth analysis concerning the numerical precision of the estimator.

Nel prossimo decennio l’esplorazione interplanetaria sarà sempre più dominata dall’impiego di CubeSats grazie al basso costo che li caratterizza se confrontato con quello delle missioni tradizionali. Una delle più grandi sfide odierne riguardante l’utilizzo di small-sats oltre l’orbita bassa consiste nella realizzazione di satelliti aventi la capacità di operare completamente in modo autonomo, ovvero senza il supporto a terra di radio-stazioni e di teams dedicati alla dinamica di volo del velivolo. In questo contesto si inserisce il lavoro di tesi, che, infatti, presenta come obbiettivo principale quello di sviluppare un algoritmo per rispondere al problema di navigazione autonoma per un velivolo di ridotte dimensioni. Infatti, particolare attenzione è posta rispetto le limitate capacità computazionali del computer di bordo e alle medie performance del sensore elettro-ottico utilizzato. Verrà, quindi, proposto l’utilizzo del filtro di Kalman esteso, che sfrutta, a sua volta, la valutazione della direzione dei pianeti come metodo di stima dello stato, durante un viaggio interplanetario Terra-Marte. Verranno, quindi, effettuate correzioni al modello dinamico che, insieme ad un’acquisizione ottimale delle osservazioni, porteranno al miglioramento dell’accuratezza della soluzione stimata. Infine, il filtro sarà collaudato su una piattaforma paragonabile ad un computer di bordo miniaturizzato, non prima, però, di aver compiuto un’approfondita analisi riguardante la sua precisione numerica.