As the opportunities for space missions increase even for smaller companies and universities, one of the critical expenses is related with the navigation system. Any satellite orbiting outside the LEO region is dependent on Earth ranging radio systems to calculate its position in orbit: this service can be very expensive and becomes a relevant percentage of the budget for small satellites or cubesats missions. Furthermore, deep space missions need to avoid relying too much on ground radiometric trasmissions for their navigation due to the delay of signals coming back and forth from earth. All these concerns push for development and research in autonomous navigation system, where a general solution is to use images of close celestial bodies to calculate the spacecraft's position, given the attitude by star trackers. This thesis presents the method and the algorithm developed to compute the spacecraft position using pictures taken on-board. It is also explained the functioning and setup of a ray tracing program for creating the synthetic pictures necessary for the testing of the algorithm. Lastly, an investigation for a new method of attitude calculation is developed; the technique is based on the information of the Sun's position by looking at the shape of the planet's lit limb. The algorithm was validated only with testing on the Earth and the Moon, but the general approach can be easily used on any celestial body with a sufficient self-gravity to be in hydrostatic equilibrium. The work reports also the results and the precision of the algorithm for different case scenarios, varying distance from planet, light conditions, camera resolution and view angle.
Con l'avanzare del tempo, mentre le opportunità per lanciare missioni spaziali aumenta anche per piccole compagnie e università, una delle spese principali associate alla missione è il sistema di navigazione. I satelliti in orbite più alta di una LEO dipende da segnali radio da Terra per il calcolo della posizione: questo servizio può risultare molto costoso e diventare una percentuale rilevante del budget per missioni di piccoli satelliti o cubesats. Inoltre le missioni nello spazio profondo non devono dipendere eccessivamente da segnali radio terrestri per la navigazione a causa del ritardo minimo del segnale che deve fare avanti e indietro dal satellite al nostro pianeta. Questi motivi spingono la ricerca verso sistemi di navigazione autonoma, che consistono nell'idea generale di analizzare immagini di corpi celesti scattate dalla sonda per calcolare la sua posizione, considerando fornito la misura dell'assetto. Questa tesi presenta il metodo e l'algoritmo sviluppato per calcolare la posizione della sonda utilizzando immagini scattate a bordo. È inoltre spiegato il funzionamento e il setup di un programma di ray-tracing per la generazione di immagini sintetiche necessarie per testare l'algoritmo. Infine viene investigato un nuovo metodo per il calcolo dell'assetto: la tecnica si basa sull'informazione della posizione del Sole fornita dall'osservazione della porzione di pianeta illuminato nell'immagine. L'algoritmo viene validato con test solo su immagini di Terra e Luna, ma l'approccio può essere facilmente espanso all'utilizzo su qualunque corpo celeste con una massa sufficiente per essere in equilibrio idrostatico. L'elaborato riporta anche i risultati e la precisione dell'algoritmo in casi differenti e variando molteplici parametri.
Autonomous optical navigation and attitude estimation system tested on artificially generated images
GUARNERI, JACOPO
2019/2020
Abstract
As the opportunities for space missions increase even for smaller companies and universities, one of the critical expenses is related with the navigation system. Any satellite orbiting outside the LEO region is dependent on Earth ranging radio systems to calculate its position in orbit: this service can be very expensive and becomes a relevant percentage of the budget for small satellites or cubesats missions. Furthermore, deep space missions need to avoid relying too much on ground radiometric trasmissions for their navigation due to the delay of signals coming back and forth from earth. All these concerns push for development and research in autonomous navigation system, where a general solution is to use images of close celestial bodies to calculate the spacecraft's position, given the attitude by star trackers. This thesis presents the method and the algorithm developed to compute the spacecraft position using pictures taken on-board. It is also explained the functioning and setup of a ray tracing program for creating the synthetic pictures necessary for the testing of the algorithm. Lastly, an investigation for a new method of attitude calculation is developed; the technique is based on the information of the Sun's position by looking at the shape of the planet's lit limb. The algorithm was validated only with testing on the Earth and the Moon, but the general approach can be easily used on any celestial body with a sufficient self-gravity to be in hydrostatic equilibrium. The work reports also the results and the precision of the algorithm for different case scenarios, varying distance from planet, light conditions, camera resolution and view angle.| File | Dimensione | Formato | |
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https://hdl.handle.net/10589/166928