Development of a Deep-space-capable Navigation System for the Hugin Space Exploration Technology Demonstration Satellite Mission

Development of autonomous in-fight navigation capability for a CubeSat mission is a challenging task, often ignored in favour of relying on a Global Navigation Satellite System (GNSS). However, the potential value in solving this problem becomes great for deep-space missions where such networks have limited coverage. This thesis presents a proof of concept for how autonomous navigation can be achieved using the star tracker already included in the design of the Hugin satellite, a 3U-CubeSat under development by Beyond Atlas AB in Stockholm. A navigation algorithm presented in existing literature was selected, processing optically derived angular measurements of distant celestial bodies in an Unscented Kalman Filter (UKF). The algorithm was then integrated with a custom-built orbit simulator to test the navigation in a fight environment. Results from these simulations demonstrate that this algorithm can be used to allow a satellite in geocentric orbit to consistently track its position using only optical measurements, and key parameters for tuning the navigation UKF have been identifed. Additionally, Hugin’s star tracker was tested in order to verify its capabilities and measure the accuracy and precision of angular measurements. Software for generating images containing stars and celestial bodies was custom-built and used for the tests. Results from these tests were inconclusive, as the star tracker was unable to identify stars displayed in the test images. The most probable cause for this inability was judged to be an insuffciently true-to-reality test environment, with several possible improvements identifed to increase the fidelity of future tests. Based on the results from the simulations this report concludes that autonomous navigation is possible on Hugin using the presented algorithm. Despite this, much work remains to be done with the major topics needing further investigation outlined in this report.Utveckling av autonom satellitnavigation för CubeSats är en stor utmaning, och en som ofta väljs bort för att istället förlita sig på ett Global Navigation Satellite System (GNSS). Men tillgängligheten till sådana system är begränsad i yttre rymden, vilket gör förmågan att navigera autonomt mer värdefull. Detta examensarbete presenterar ett koncepttest för hur autonom navigering kan möjliggöras med hjälp av den stjärnkikare som är en del av satelliten Hugins design, en 3U CubeSat som utvecklas av Beyond Atlas AB i Stockholm. En navigationsalgoritm som presenterats i en kontemporär forskningsrapport har valts ut, vilken bearbetar optiska vinkelmätningar av avlägsna himlakroppar i ett Unscented Kalman Filter (UKF). Algoritmen har integrerats med en specialbyggd orbitalsimulator för att testa navigationens prestation i en rymdmiljö. Resultat från dessa simuleringar demonstrerar att med hjälp av denna algoritm kan en sattelit i geocentrisk omloppsbana konsekvent uppskatta sin position endast med hjälp av optiska mätningar. Nyckelparametrar för att ställa in navigationsfiltret har även identiferats. Utöver detta testades Hugins stjärnkikare för att verifera dess funktionalitet och mäta dess noggrannhet och precision. Mjukvara för att generera bilder innehållande stjärnor och himlakroppar specialbyggdes och användes för testerna. Testresultaten var ofullständiga, eftersom stjärnkikaren inte kunde identiferade stjärnor som visades i testbilderna. Det mest sannolika skälet till denna oförmåga bedömdes vara en ej tillräckligt verklighetstrogen testmiljö, med ett antal möjliga åtgärder identiferade. Utifrån simuleringsresultaten dras slutsaten att det är möjligt att utföra autonom navigation på Hugin med den framförda algoritmen. Trots detta återstår mycket arbete inom flera utvecklingsområden, varav de främsta beskrivs i denna rapport