Optimization of payload operations for a CubeSat in a double asteroid environment

Space exploration of small celestial bodies is a real opportunity for the scientific community to unveil the formation of our Solar System and learn more about how life has appeared on Earth. Lately, CubeSats -which are miniaturized spacecrafts- became sufficiently efficient to start to be mentioned for being part of interplanetary science missions. Their associated micro-technologies imply, among other things, limited communications capability and limited storage capacity. One of the repercussions on the design of the missions they are involved in is the challenge to schedule payload operations, i.e. to deal with the selection of the best instants to perform scientific observations among numerous possibilities. As it is cumbersome and inefficient in most cases to do this manually, tools need to be developed to help scientists to select a schedule based on their constraints and the ones that emanate from the spacecraft. Taking the case of study of the Milani CubeSat -opportunity payload in the HERA mission- and its ASPECT instrument, this report presents an algorithm to propose optimized scientific acquisition timelines to scientific teams for a CubeSat in a double asteroid environment. Dedicated metrics are elaborated and details on pruning methods are given. The work done shows the feasibility to generate autonomously scientific acquisition timelines that both satisfy scientific and spacecraft requirements. Finally, the actual capacities and limitations of the present version of the tool developed are discussed.

L'esplorazione spaziale di piccoli corpi celesti è un’opportunità per la comunità scientifica di svelare la formazione del Sistema Solare e saperne di più sulla comparsa della vita sulla Terra. Di recente, i CubeSats -che sono piccoli veicoli spaziali- sono diventati sufficientemente efficienti da essere considerati per missioni scientifiche interplanetarie. Le loro microtecnologie implicano una capacità limitata di comunicazione e di memoria. Una delle ripercussioni sul design delle missioni spaziali in cui sono coinvolti è la sfida di programmare le operazioni degli strumenti scientifici, cioè di scegliere i migliori istanti di tempo in cui eseguire osservazioni scientifiche tra numerose possibilità. Poiché nella maggior parte dei casi è scomodo e inefficiente fare questo manualmente, dei metodi devono essere sviluppati per aiutare gli scienziati a selezionare un piano di azione in base ai loro requisti e a quelli che emergono dal veicolo spaziale. Considerando lo studio del CubeSat Milani –payload di opportunità nella missione HERA - e del suo strumento ASPECT, questa tesi presenta un algoritmo per proporre agli scienziati delle linee temporali di acquisizione scientifica ottimizzate per un CubeSat orbitante intorno a un doppio sistema di asteroidi. Specifiche metriche vengono elaborate. Vengono forniti anchedettagli sui metodi di potatura. Il lavoro fatto dimostra la fattibilità di generare automaticamente una linea temporale di acquisizione scientifica che soddisfa i requisiti sia scientifici che del veicolo spaziale. Infine, vengono discusse le effettive capacità e limitazioni della versione attuale del metodo sviluppato.