ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
9-apr-2024
2022/2023
La Luna rappresenta un punto focale per l’esplorazione, visti anche i recenti successi
di allunaggio al Polo Sud, che offre un enorme potenziale nella ricerca scientifica. Tuttavia,
le missioni lunari presentano importanti sfide finalizzate a raggiungere la massima
precisione nell’allunaggio, come evidenziato dai recenti fallimenti e dalla necessità di operazioni
in tempo reale. La tecnologia basata su VBN (Vision-Based Navigation), la quale
utilizza sensori elettro-ottici, è fondamentale per il successo di una missione lunare, ma
presenta limitazioni, specialmente in condizioni di illuminazione difficili ed in alcuni casi
mancanza di informazioni sulla distanza dalla superficie. Il focus principale di questa
tesi è esplorare il potenziale di una costellazione lunare (Lunar Communication and Navigation
Service), proposta da agenzie spaziali come la NASA e l’ESA, per migliorare la
navigazione lunare. L’obiettivo è valutare l’accuratezza dell’atterraggio lunare ottenuta
mediante misurazioni provenienti dalla costellazione e un algoritmo basato su misure di
spostamento del satellite. Il lavoro affronta l’integrazione ottimale delle misure derivanti
dalla costellazione all’interno di un filtro di navigazione, considerando diverse geometrie di
costellazioni e fasi della discesa. La tesi comprende una revisione delle strategie di filtraggio,
delle tecniche di navigazione ottica e dei principi del GNSS e della loro integrazione
con sistemi di navigazione inerziali. Lo scenario di missione proposto per un atterraggio
lunare comprende le fasi di coasting e braking, e include la costellazione selezionata composta
da tre orbite lunari ellittiche (Elliptical Lunar Frozen Orbit). L’implementazione
degli schemi di filtraggio per navigazione assoluta e relativa viene poi presentata, incorporando
le misure derivate dalla costellazione per la navigazione assoluta e misurazioni
di spostamento relativo derivate da una camera. Successivamente vengono analizzate le
prestazioni raggiunte nei due scenari, approfondendo le capacità e limitazioni di entrambi
gli approcci. In conclusione, lo studio contribuisce a rispondere alla domanda su come
le misurazioni delle costellazioni lunari possano migliorare l’accuratezza dell’allunaggio,
valutando contemporaneamente le prestazioni ottenute da una tecnica basata sulla navigazione
ottica, rappresentando un primo passo per una futura integrazione delle due. I
risultati aprono la strada ad un impiego efficiente dei sensori di bordo e gettano le basi
per futuri miglioramenti e sviluppi nella navigazione lunare.
The Moon has become a focal point for exploration, with recent successful landings in the
South Pole, a region of great interest for its scientific discovery potential. However, lunar
missions face challenges in precision landing, as evidenced by recent failures and the need
for real-time operations accuracy. VBN (Vision-Based Navigation) using EO (Electro-
Optical) sensors has been a key technology, but it has limitations, especially in challenging
lighting conditions and in some cases lack of range information. The main focus of this
thesis is to explore the potential of a LCNS (Lunar Communication and Navigation Service),
proposed by space agencies such as NASA and ESA, to enhance lunar navigation.
The aim is to evaluate the accuracy of lunar landing achieved by constellation measurements
and a vision-based algorithm based on relative displacement measurements. The
work addresses the optimal integration of constellation measurements within a navigation
filter, considering different constellations’ configurations and phases of a descent scenario.
The thesis structure involves a review of navigation filtering strategies, optical navigation
techniques, and the principles of GNSS (Global Navigation Satellite System), and their
integration with INS (Inertial Navigation System). The proposed mission scenario for a
lunar landing encompasses the coasting and braking phases, including the selected constellation
consisting of three ELFO (Elliptic Lunar Frozen Orbit). Practical implementation
of filtering schemes for absolute and relative navigation is presented, incorporating LCNS
observables for absolute navigation and monocular camera-derived relative displacement
measurements. Analyses of navigation performance in both scenarios are conducted, revealing
insights into the capabilities and limitations of both approaches. In conclusion,
the study contributes to answer the question of how lunar constellation measurements
can enhance landing accuracy, concurrently evaluating the performance achieved by a
vision-based technique, representing a first step for future sensor fusions. The findings
offer a pathway for cost-effective utilization of on-board sensors and lay the groundwork
for future improvements and developments in lunar navigation.