Line of sight extraction algorithm for stand-alone CubeSats in deep-space. Optical image generation, attitude determination and identification of planets at unresolved scale

Deep-Space autonomous navigation for stand-alone CubeSats requires the tools to evaluate the state of the spacecraft. State of the art algorithms are able to determine the attitude of a spacecraft without the need for human intervention, even when starting from lost-in-space conditions. However, the position determination methods that are currently available, strongly rely on ground-segment operations thus not allowing the CubeSat to meet the requirements for the stand-alone condition. This thesis proposes a method, based on the direction of planets with respect to a spacecraft, to evaluate the location of the CubeSat. Being the position of every planet in the solar system with respect to the Sun known at any given time, the location of a spacecraft can be computed if it is possible to retrieve the line of sight of a planet exploiting the on-board hardware. The main topic of this work is the development of a line of sight extraction algorithm based on optical devices, such as star trackers, able to autonomously retrieve a planet direction starting from a compliant initial guess of the spacecraft position. Moreover, a star tracker is modeled and the image generated in this way is processed exploiting a proposed centroiding algorithm. Subsequently, the attitude is reconstructed thanks to the implementation of a determination method based on a coherently built star identification process. The code is tested on an homogeneously distributed database allowing the obtainment of representative results that are coherent with the state of the art literature. The outcome of this work lays the foundation for the development of a tool that can be exploited to implement autonomous navigation on a stand-alone CubeSat traveling in deep-space.

Affinchè i CubeSat possano navigare autonomamente nello spazio profondo, è necessario che essi siano dotati di strumenti in grado di calcolarne lo stato. Gli algoritmi finora sviluppati sono in grado di determinare l'assetto di un satellite senza la necessità di un intervento umano, anche a partire da condizioni lost-in-space. Tuttavia, i metodi attualmente disponibili per determinarne la posizione dipendono da operazioni effettuate dal ground-segment, non permettendo ai CubeSat di soddisfare i requisiti per essere definiti stand-alone. Questa tesi propone un metodo, basato sulla conoscenza della direzione dei pianeti rispetto ad un satellite, per calcolare la posizione del CubeSat. Essendo nota la posizione di ogni pianeta del sistema solare in un dato istante, la posizione di un satellite può essere determinata a patto che sia possibile ricavare la line-of-sight di un pianeta sfruttando gli strumenti a bordo. L'argomento principale di questo scritto è lo sviluppo di un algoritmo per l'estrazione della line-of-sight basato su dispositivi ottici, come gli star tracker, capace di ricavare in modo autonomo la direzione di un pianeta partendo da un'opportuna stima iniziale della posizione del satellite. Inoltre, è stato messo a punto il modello di uno star tracker e l'immagine generata in questo modo è stata processata attraverso un algoritmo di centroiding. In seguito, l'assetto è stato ricostruito grazie all'implementazione di un metodo di determinazione basato su un processo di identificazione delle stelle opportunamente strutturato. Il codice è stato testato su un database distribuito omogeneamente in modo da ottenere risultati rappresentativi che siano coerenti con quanto riportato in letteratura. I risultati di questa tesi mettono le basi per lo sviluppo di uno strumento che possa essere utilizzato per implementare la navigazione autonoma su uno stand-alone CubeSat che viaggia nello spazio profondo.