Autonomous navigation for interplanetary CubeSats at different scales

Space exploration missions typically rely on ground-based orbit determination to properly locate and guide a spacecraft towards the mission target. This process involves ground tracking stations and flight dynamics teams to communicate with and control spacecraft in deep-space and strongly contributes to the overall space mission costs. However, the recent proliferation of CubeSats is challenging the paradigm under which deep-space probes are navigated and controlled. Indeed, miniaturized spacecraft are increasing the overall number of spacecraft launches per year, thus yielding to a saturation of the ground-based tracking facilities. Moreover, the overall cost of deepspace CubeSats scales down with the platform size with respect to traditional spacecraft, except for those related to navigation. This is because the same ground stations and teams are required to control spacecraft, regardless of the platform size. For these reasons, an increased level of autonomy onboard spacecraft is needed for deep-space CubeSats. This work investigates the feasibility of autonomous navigation methods for deep-space CubeSats at different range scales with respect to the mission target. To this aim, three navigation scenarios are introduced and faced throughout the thesis, which are deep-space, far-range, and close-range with respect to the target, respectively. The navigation problem, solution, and performances for these scenarios are presented and eventually simulated in real space missions studies, which are M-ARGO for the deep-space line-of-sight navigation scenario, LUMIO for the full-disk navigation in the far-range case, and MILANI for the centroiding at close-range to the target.

Le missioni di esplorazione spaziale fanno affidamento sulla determinazione orbitale eseguita a terra per localizzare e guidare un satellite verso l’obiettivo di missione in maniera appropriata. Questo processo richiede la comunicazione fra le stazioni di terra e gli spacecraft nello spazio profondo, contribuendo significativamente al costo totale delle missioni spaziali. Tuttavia, la recente proliferazione dei CubeSat sta sfidando il paradigma secondo cui i satelliti sono navigati e controllati nello spazio profondo. Infatti, i satelliti miniaturizzati stanno facendo aumentare il numero totale di satelliti lanciati ogni anno, portando quindi ad una saturazione delle strutture di terra per comunicazione. Inoltre, il costo totale delle missioni CubeSat si riduce con la dimensione del satellite, eccetto per i costi della navigazione. Questo `e dovuto all’utilizzo delle stesse stazioni di terra di satelliti più grandi. Per queste ragioni, i CubeSat per lo spazio profondo richiedono un maggiore livello di autonomia a bordo. Questo lavoro investiga la fattibilità di metodi di navigazione autonoma per CubeSat nello spazio profondo a diverse scale di distanza rispetto al loro obiettivo. Tre scenari di navigazione sono introdotti e discussi nello svolgimento della tesi, che sono gli scenari di spazio profondo, di larga distanza, e di prossimità rispetto all’obiettivo. Il problema di navigazione, la sua soluzione e le corrispondenti prestazioni per ogni scenario sono presentate e simulate in studi di missioni reali, che sono la missione M-ARGO per lo scenario di navigazione nello spazio profondo, la missione LUMIO per la navigazione a larga distanza tramite il disco pieno e MILANI per la navigazione di prossimità rispetto all’obiettivo.