CubeSats formation flying mission as wifi data transmission and GPS based relative navigation technology demonstrator

The purpose of this thesis is to report the feasibility study for a technological demonstrator mission using CubeSat platform. The scope is to verify wireless Commercial-Off-The-Shelf technology performances in Low Earth Orbit (LEO) environment. To implement this task two wireless network are considered: an Inter-Satellite Link (ISL), performed by a Wireless Local Area Network, and an Intra-Satellite Link, by a Wireless Personal Area Network. The selected payload consist on a WiFi transceiver used for the ISL and on a wireless temperature sensors network. In order to perform the project scope, a two CubeSat formation flying is required with a localization system based on GPS, whose received signal is filtered by a dynamic model. Formation dimension must be kept below kilometer order, to remain in the wireless network outdoor range, these dimensions are lower than distances usually used in formation flying. This analysis covers the phase A of mission design, exploring also in details some critical issues and subsystems, that is relative position and attitude determination and control, their impacts on on-board computing and inter-satellite communication performances. Cost budget and launch possibility are also treated, defining two main mission architectures in respect of propulsion subsystem options. In conclusion, wireless networks within a spacecraft formation is affordable even at nanosatellite class level. Each of these three main aspects are well known and flight proven, but when they coexist in the same mission, some conflicting requirements emerge, in relation to power generation and need of fine thrust levels.

Lo scopo di questo lavoro è documentare lo studio di fattibilità di una missione di test di dispositivi wireless Commercial-Off-The-Shelf con l’ausilio di piattaforme CubeSat. La logica di progetto consta nel realizzare due wireless network su scale diverse, in particolare si è voluto realizzare un Inter-Satellite Link tramite una rete WLAN e un link intra-satellitare tramite una rete WPAN. Il payload selezionato consiste in un ricetrasmettitore WiFi utilizzato per il link inter-satellitare e in un sistema di misura basato su sensori di temperatura wireless. Al fine di raggiungere lo scopo si è utilizzata una formazione di due CubeSat con un sistema di localizzazione basato sul GPS, il cui segnale viene filtrato con un modello dinamico. La dimensione della formazione è dell’ordine del chilometro, molto inferiore a quelle normalmente utilizzate, al fine di rimanere nel campo di vista della rete wireless. L’analisi copre un progetto di missione di fase A, esplorando anche in dettaglio aspetti critici e sottosistemi, come posizione relativa e determinazione e controllo d’assetto, il loro impatto sulle prestazioni del computer di bordo e sulla comunicazione intersatellitare. Il budget di costi e le opportunità di lancio sono stati affrontati, definendo due proposte di configurazione che differiscono per il sistema propulsivo scelto. I conclusione, una rete wireless inserita in un contesto di nanosatelliti in formazione è possibile. Tuttavia, nonostante ciascuno di questi aspetti sia provato e verificato in volo, la combinazione dei tre fa insorgere dei requisiti discordanti, in particolare relativamente alla generazione di potenza e alla necessità di un livello di spinta fine.