Development and validation of a horizon-based optical navigation test facility

Today’s space exploration probes rely more and more on optical navigation. From a simple backup system for emergencies to fully autonomous spacecraft navigation, the degrees of application are variegated. Many scientific explo- ration missions use optical navigation when it comes to the determination of the spacecraft position or the relative navigation around astronomical objects. The methods and techniques that underlay these applications are however, very similar. The LUMIO mission adopts one of these techniques called horizon based optical navigation. In this work the design of an optical test environment is presented and provides the baseline for a mathematical modelling of the main components in optical navigation hardware. The evaluation of the algorithm is done by comparing the results from the optical test facility developed with a previous work done at Politecnico di Milano, that provided the idealized dis- tance vector measurements. It is then proven that these algorithms can work autonomously and comply with the optical environment of the spacecraft. Fi- nally, a comparison of ideal and laboratory results is made in terms of precision and possible error sources.

Le missioni di esplorazione spaziale al giorno d’oggi si affidano sempre di più alla navigazione ottica. Trattasi di un sistema di backup per le emergenze oppure di un sistema di navigazione autonomo, i livelli di applicazione sono variegati. Molte missioni scientifiche impiegano la navigazione ottica per la determinazione della posizione della sonda oppure come metodo di navigazione relativa intorno ad corpi astronomici. Le tecniche e gli algoritmi di base sono però molto simili. La missione LUMIO adotta una di queste tecniche chiamata navigazione ottica basata sull’orizzonte. In questo lavoro viene presentato il design di un banco di prova ottico che fornisce le fondamenta per una modellazione matematica dei componenti principali presenti in un sistema di navigazione ottica. La valu- tazione del algoritmo viene effettuata comparando i risultati del banco di prova con lavori precedenti effettuati al Politecnico di Milano che fungono come riferi- mento di un ambiente idealizzato. Viene poi dimostrato che i sudetti algoritmi sono capaci di fornire una soluzione di navigazione in maniera autonoma e che sono compatibili con l’ambiente ottico presente attorno al veicolo spaziale. Alla fine vengono comparati i risultati di laboratorio con quelli ideali in termini di precisione e possibili fonti di errore.