Dual camera autonomous optical navigation for deep-space applications

In the field of space exploration, CubeSats popularity is greatly increasing, miniaturization often provides a winning compromise in terms of costs, functionalities and performance, initiating access to space to an unprecedented democratization. The vast majority of CubeSats operate in low Earth orbit, but in recent years, research has been pushing to extend their domain of activity to interplanetary space. An essential requirement in a space mission is to perform the orbit determination of the spacecraft to statistically determine its position and velocity in time. Nowadays, the standard technique is ground-dependent, as it involves radiometric tracking. Although the performance of this technology is excellent, it strongly affects the cost of a CubeSat mission, which by its nature should have its strength in cheapness and will be even less sustainable considering the expected increase in demand. Hence a need to have an autonomous navigation system directly on board that allows the spacecraft to be independent from the ground; in particular the focus will be placed on autonomous optical navigation based on planets lines of sight. The thesis intends to extend results already obtained in the framework of the EXTREMA (Engineering Extremely Rare Events in Astrodynamics for Deep-Space Missions in Autonomy) project, investigating the effects of the introduction of a second camera in terms of quality of attitude determination and state estimation. The latter, performed by means of an extended Kalman filter, should particularly benefit from the simultaneous measurement of the lines of sight of two planets. A parametric study to assess the best sensor configuration (in terms of field of view and cameras inter-boresight angle) is carried out, starting from an Earth-Mars transfer and eventually extending the analysis to different trajectories.

Nel campo dell'esplorazione spaziale, la diffusione dei CubeSats è in grande aumento, la miniaturizzazione fornisce spesso un compromesso vincente in termini di costi, funzionalità e prestazioni, avviando l'accesso allo spazio a una democratizzazione senza precedenti. La maggior parte dei CubeSats opera nell'orbita bassa terrestre, ma negli ultimi anni la ricerca si è concentrata sull'estendere il loro dominio di attività allo spazio interplanetario. Un requisito essenziale in una missione spaziale è la determinazione dell'orbita della sonda, che porta a conoscere statisticamente la sua posizione e velocità nel tempo. La tecnica standard odierna, prevedendo il tracciamento radiometrico, è dipendente dal segmento terrestre. Sebbene le prestazioni di questa tecnologia siano eccellenti, quest'ultima incide fortemente sul costo di una missione di un CubeSat, che, per sua natura, dovrebbe avere il punto di forza nell'economicità, e sarà ancora meno sostenibile in futuro considerando l'aumento previsto della domanda. Da qui la necessità di avere un sistema di navigazione autonomo direttamente a bordo, che permetta al veicolo spaziale di essere indipendente da terra; in particolare l'attenzione sarà posta sulla navigazione ottica autonoma basata sulle linee di vista dei pianeti. La tesi intende estendere i risultati già ottenuti nell'ambito del progetto EXTREMA (Engineering Extremely Rare Events in Astrodynamics for Deep-Space Missions in Autonomy), studiando gli effetti dell'introduzione di una seconda camera in termini di qualità della determinazione dell'assetto e della stima dello stato del satellite. Quest'ultima, eseguita per mezzo di un filtro di Kalman esteso, dovrebbe trarre particolare beneficio dalla seconda camera che permette di misurare simultaneamente le linee di vista di due pianeti. Verrà effettuato uno studio parametrico per determinare la miglior configurazione del sensore ottico (in termini di campo visivo e angolo fra le direzioni di puntamento delle camere), partendo da una traiettoria Terra-Marte e successivamente estendendo l'analisi a diverse traiettorie.