Hardware-in-the-loop simulation of horizon-based optical navigation in translunar space

So far, the CubeSats navigation in deep space has been one of the main challenges related to the miniaturization process. The aim is to exploit an autonomous navigation method, which can minimize the use of the standard radiometric measurements and ground-based orbit determination, in order to reduce the mission operation costs. The horizon-based optical navigation fulfills this objective when the full disk of a celestial body can be captured by the CubeSat camera. In particular, this technique will be implemented in the Lunar Meteoroid Impacts Observer (LUMIO) mission. LUMIO is a 12U CubeSat, placed in a quasi-halo orbit around the Earth-Moon L2 point (translunar space), which will exploit the visibility of the Moon full disk to perform autonomous optical navigation (AutoNav). This work presents both a software and hardware-in-the-loop (HIL) simulation of the Moon horizon-based optical navigation for about 45 days in the LUMIO nominal orbit. The software analysis is useful to understand the performances of the involved image processing and navigation algorithm through synthetic Moon images rendered by Blender. The HIL simulation is conducted using TinyV3RSE, an optical test facility developed at DART laboratory at Politecnico di Milano, capable to emulate the LUMIO navigation exploiting a real camera with its all noise sources. Moreover, both Hybrid Extended Kalman Filter and Unscented Kalman Filter are integrated in the navigation scheme to improve the CubeSat state estimation. Taken together, the final results show the overall horizon-based OpNav performances applied to a real mission scenario.

Fino ad oggi, la navigazione dei CubeSats nello spazio profondo è stata una delle sfide principali legate al processo di miniaturizzazione. L’obiettivo è quello di adottare un metodo di navigazione autonoma che possa ridurre l’uso delle classiche misure radiometriche e di determinazione dell’orbita da terra, al fine di abbattere i costi operativi della missione. La navigazione basata sull’orizzonte adempie a questo obiettivo quando il disco visibile di un corpo celeste può essere catturato dalla camera del CubeSat. In particolare, questa tecnica sarà implementata nella missione LUMIO (Lunar Meteoroid Impacts Observer). LUMIO è un CubeSat 12U, posizionato in un’orbita quasi-halo nel punto L2 del sistema Terra-Luna (spazio translunare), che sfrutterà il disco lunare visibile per svolgere una navigazione ottica in autonomia. Questo lavoro presenta una simulazione di tipo software e hardware nel ciclo di simulazione (HIL dall’inglese hardware-in-the-loop) della navigazione basata sull’orizzonte lunare per circa 45 giorni in orbita nominale di LUMIO. L’analisi software è utile per comprendere le prestazioni degli algoritmi coinvolti nell’elaborazione dell’immagine e nella navigazione attraverso immagini sintetiche della Luna, renderizzate tramite Blender. La simulazione HIL è condotta utilizzando TinyV3RSE, un banco di test ottico sviluppato presso il laboratorio DART del Politecnico di Milano, in grado di emulare la navigazione di LUMIO sfruttando una camera reale in presenza di tutte le sue fonti di rumore. Inoltre, sia Hybrid Extended Kalman Filter che Unscented Kalman Filter sono integrati nello schema di navigazione per migliorare la stima dello stato del CubeSat. In conclusione, i risultati finali mostrano le prestazioni complessive della navigazione ottica basata sull’orizzonte applicata a uno scenario di missione reale.