Synthetic imaging to support the vision based relative navigation implementation and verification campaign in asteroid proximity scenarios

Space exploration over the last few years started to exploit increasingly autonomous spacecraft to carry out different types of missions. In many of these, computer vision software is used for instance for navigation, for scientific purposes, for tracking, for docking, etc.... In this context, the possibility of carrying out tests quickly, effectively, and economically is increasingly useful. By exploiting the possibility of creating synthetic images capable of faithfully reproducing any scenario, not only the tests but also the mission design phases can make improvements. This thesis therefore uses optical navigation algorithms to monitor the release phase and subsequently track the trajectories of CubeSats in an asteroid proximity scenario. Based on the data of a real mission it is possible to simulate the entire scenario in 3D. Through the modelling of a monocular camera working in the visible spectrum, synthetic images are generated to accurately recreate the release of the CubeSats. Using a SLAM software for the recognition and tracking of the features, the trajectory of the camera is therefore estimated. Given the monocular set-up, it is possible to track the trajectory of the CubeSat observed up to a scale factor. A description of the methods used for the realization of representative synthetic images and of the concepts related to the calibration of the camera are provided. In addition, the method for the reconstruction of the trajectory, the preliminary tests, and the cases took into consideration during the analyses carried out are presented. To conclude, the results obtained are critically analysed together with the work to be carried out to improve the quality of the results.

L’esplorazione dello spazio negli ultimi anni ha iniziato a sfruttare veicoli spaziali sempre più autonomi per svolgere diversi tipi di missioni. In molti di questi, software di visione artificiale vengono utilizzati ad esempio per la navigazione, per scopi scientifici, per il monitoraggio, per l’attracco, ecc.... In questo contesto, la possibilità di eseguire test in modo rapido, efficace ed economico è sempre più utile. Sfruttando la possibilità di creare immagini sintetiche in grado di riprodurre fedelmente qualsiasi scenario, non solo i test, ma anche le fasi di progettazione della missione possono essere migliorate. Questa tesi, pertanto, utilizza algoritmi di navigazione ottica per monitorare la fase di rilascio e successivamente tracciare le traiettorie di CubeSats in uno scenario di prossimità di asteroidi. Sulla base dei dati di una vera missione è possibile simulare l’intero scenario in 3D. Attraverso la modellazione di una telecamera monoculare che funziona nello spettro visibile, vengono generate immagini sintetiche per ricreare con precisione il rilascio di CubeSats. Utilizzando un software SLAM per il riconoscimento e il tracciamento delle features, viene quindi stimata la traiettoria della telecamera. Data la configurazione monoculare, è possibile seguire la traiettoria del CubeSat osservato con un fattore di scala. Viene fornita una descrizione dei metodi utilizzati per la realizzazione di immagini sintetiche rappresentative e dei concetti relativi alla calibrazione della telecamera. Inoltre, vengono presentati il metodo per la ricostruzione della traiettoria, i test preliminari e i casi studiati durante le analisi effettuate. Per concludere, i risultati ottenuti vengono analizzati criticamente insieme al lavoro da svolgere per migliorare la qualità dei risultati.