Milani CubeSat landing experiment: gravitational and rotational dynamics estimation near Didymos binary

Milani, a 6U CubeSat that will be released by ESA’s Hera spacecraft near the Didymos binary asteroid system, aims to acquire high-resolution images of the asteroids, characterize the dust environment, and demonstrate CubeSat technologies for interplanetary missions. This thesis evaluates the scientific potential of Milani’s experimental phase, including the landing on Dimorphos, to enhance our understanding of the Didymos system. The landing trajectory is designed using the shooting method, addressing relevant perturbations in the complex low-gravity environment and meeting mission requirements with a two-maneuver strategy. The radio science experiment enables accurate estimation of key parameters, such as mass, spherical harmonic gravity field, and rotational state of Didymos and Dimorphos, through a multi-arc covariance analysis. It combines the simulated measurements acquired by Milani throughout the experimental phase, including landmark optical observables, LiDAR altimetry, and Hera-Milani InterSatellite Link radiometric measurements. Results indicate expected formal uncertainties for the GM of Didymos and Dimorphos better than 0.0035% and 0.073%, respectively, with J2 uncertainties better than 0.082% and 2.57%. Regarding the rotational states, the absolute spin pole orientations exhibit formal uncertainties better than 0.2 degrees for Didymos and 0.01 degrees for Dimorphos, along with improved spin rate estimations. Analyses evaluate the influence on the results of optical measurements frequency and noise, ISL duty cycle, and the incorporation of Hera’s optical tracking of Milani. This thesis underscores the scientific value of the binary asteroid system landings, advancing our understanding of gravitational environments and rotational properties. The landing of Milani on Dimorphos offers unique insights for the survey after DART’s impact, leveraging its closer proximity and higher-resolution optical measurements, benefiting both planetary defense and asteroid science.

Milani, CubeSat 6U che sarà rilasciato nel sistema binario di asteroidi Didymos dal satellite Hera dell’ESA, mira ad acquisire immagini ad alta risoluzione degli asteroidi, caratterizzare l’ambiente di polvere e dimostrare tecnologie CubeSat per missioni interplanetarie. Questa tesi valuta il potenziale scientifico della fase sperimentale di Milani, incluso l’atterraggio su Dimorphos, per approfondire la nostra comprensione sul sistema Didymos. La traiettoria di atterraggio è progettata con il metodo di shooting, considerando le principali perturbazioni nell’ambiente a bassa gravità e rispettando i requisiti della missione con una strategia a due manovre. L’esperimento di radioscienza consente una stima accurata di parametri chiave, quali massa, campo gravitazionale armonico sferico e stato rotazionale dei due asteroidi, tramite un’analisi di covarianza multi-arco. Questa combina le misure simulate acquisite da Milani nella fase sperimentale, incluse osservazioni ottiche di landmark, dati altimetrici LiDAR e misurazioni radiometriche del link intersatellitare Hera-Milani. I risultati indicano che le incertezze attese per i GM di Didymos e Dimorphos sono inferiori allo 0.0035% e allo 0.073%, rispettivamente, mentre quelle per i coefficienti J2 migliori dello 0.082% e del 2.57%. Riguardo agli stati rotazionali, le orientazioni assolute dei poli di rotazione presentano incertezze migliori di 0.2 gradi per Didymos e 0.01 gradi per Dimorphos, insieme a stime migliorate della velocità di rotazione. Inoltre, sono condotte analisi per valutare l’impatto della frequenza e del rumore delle misurazioni ottiche, del ciclo di funzionamento dell’ISL e dell’inclusione del tracciamento ottico di Milani da parte di Hera. Questa tesi sottolinea il valore scientifico degli atterraggi nei sistemi binari di asteroidi, contribuendo a una maggiore comprensione delle proprietà gravitazionali e rotazionali. L’atterraggio di Milani su Dimorphos offre approfondimenti unici per l’indagine dopo l’impatto di DART, sfruttando la sua maggiore vicinanza e le misurazioni ottiche ad alta risoluzione, con implicazioni significative sia per la difesa planetaria sia per la ricerca sugli asteroidi.