Development of a hardware-in-the-loop testing facility for deep-space optical navigation

Deep-space navigation is a particularly burdensome activity, both in economical and technological terms. Also because of this, just a handful of CubeSats were operated for missions beyond Earth. However, things are on the brink of changing, thanks to the introduction of new autonomous navigation techniques which do not require continuous support from ground stations. Most of these rely on on-board visual detection of space objects (stars, planets, or asteroids) to determine the position of the spacecraft. The new visual autonomous navigation techniques need detailed on-ground testing and validation before they can be deployed. This can be performed in custom-designed optical hardware-in-the-loop testing facilities which allow a realistic in-lab simulation of the actual environment. This thesis focuses on developing one of those facilities, in the framework of the new European Research Council-funded EXTREMA project. Starting from the initial hardware choices, new calibration procedures will be shown, together with the complete analysis of the obtainable performances.

La navigazione di sonde e satelliti nello spazio profondo è una attività particolarmente gravosa, sia in termini economici che in termini tecnologici. Anche per colpa di ciò, solo una manciata di CubeSat sono stati utilizzati in missioni interplanetarie. Tuttavia, le cose sono sul punto di cambiare grazie all'introduzione di nuove tecniche di navigazione autonoma che non richiedono un supporto continuo da parte delle stazioni di terra. La maggior parte di queste si basa sulla individuazione visiva, effettuata direttamente a bordo, di oggetti spaziali (quali stelle, pianeti o asterodi) in modo da determinare la posizione del satellite stesso. Le nuove tecniche di navigazione autonoma richiedono dettagliati test di validazione a terra prima che possano essere dispiegati a bordo di sistemi spaziali. Questi test possono essere effettuati all'interno di facility ottiche che consentono di riprodure una fedele simulazione dell'ambiente reale tramite tecniche di hardware-in-the-loop. Questa tesi punta a sviluppare una di quelle facility. Essa verrà utilizzata all'interno del progetto EXTREMA, che è stato finanziato dall' ERC (Consiglio Europeo della Ricerca). A partire dalle scelte delle componenti principali, verrano mostrate nuove procedure per la calibrazione insieme ad una completa analisi delle prestazioni ottenibili.