Ground beacons to enhance lunar landing autonomous navigation architectures

Current and future landing missions are relying on a combination of inertial and optical sensor measurements to accomplish the navigation task. The present thesis work carried out at DLR Institute of Space Systems, is mainly focused on the conceptual definition and analyses of possible configurations for a ground based infrastructure aiding the on-board navigation system in a lunar landing scenario. From aircraft navigation legacy, range, range-rate and bearing measurements from beacons on ground have been devised and fused together with the optical and inertial ones provided by the on-board navigation system: an error state Extended Kalman Filter (eEKF) is used for the scope. Different configurations of this on-ground navigation infrastructures, changing number of beacons and combination of the new measurements have been tested through Monte Carlo analyses; the navigation performance has been evaluated through appropriately defined cost parameters. The results obtained are very good and promising, even in presence of just one beacon placed near the landing site providing range and range-rate. The results open the door to further development of the research in the field of ground-based navigation for planetary landing, quite unexplored at the time being, but very interesting in the light of future extraterrestrial settlements.

Al giorno d'oggi e nell'immediato futuro le missioni di esplorazione fanno affidamento su una combinazione di misure inerziali e da sensori ottici, per la navigazione in fase di atterraggio. Questo lavoro di tesi sviluppato all'Istituto di Sistemi Spaziali del DLR è principalmente focalizzato sullo studio concettuale e la successiva analisi numerica di possibili configurazioni per una infrastruttura a terra che aiuti il sistema di navigazione a bordo del lander, avendo come riferimento una missione di allunaggio. Prendendo come esempio i sistemi di navigazione usati in ambiente aeronautico, si è pensato di fornire al sistema di navigazione presente a bordo del lander misure di range, range-rate e bearing, fornite da beacons disposti a terra; queste misure poi vengono processate dal filtro di navigazione, un error-state Extended Kalman Filter (eEKF), insieme alle altre misure ottiche e inerziali effettuate dal sistema a bordo. Sono state effettuate delle analisi di Monte Carlo su varie configurazioni, cambiando numero di beacons e combinazioni di misure; la performance di navigazione è poi stata valutata per mezzo di opportune funzioni costo. I risultati ottenuti sono positivi e promettenti, anche in presenza di un unico beacon che fornisca misure di range e range-rate, posizionato vicino al sito di atterraggio. Questi risultati aprono la porta ad ulteriori sviluppi sul tema della navigazione assistita da un'infrastruttura a terra per atterraggi planetari, un campo di ricerca al momento poco sondato, ma molto interessante dal punto di vista della possibile presenza di future basi extraterrestri.