Visual imaging for relative position reconstruction in satellites proximity operations : preliminary analyses

During the course of time the continuous evolution of space missions required the development of more and more advanced technologies. In the recent years, autonomous spacecrafts, able to perform different kinds of mission, have been increasingly exploited. This type of spacecrafts are often equipped with optical sensors and a computer vision software , in such a way that even the most dangerous, but also the most interesting and useful, types of mission can be carried out, like docking, sampling of an asteroids, relative navigation, etc... Computer vision is the field dealing with optical navigation, and it involves, as the name implies, the understanding of how a computer see and elaborate an image. It is based on many technologies, statistics, signal and image processing, optimization methods etc... . A common and popular process by which visual navigation is carried out is the V-SLAM, Visual-Simultaneous Location And Mapping, which, as stated by the name, is able to estimate the location of a robot, equipped with a camera, in an unknown environment and simultaneously mapping the latter. In this thesis the V-SLAM algorithm, in one of its many forms, has been implemented and investigated, in order to see if a real time implementation could be possible, and its accuracy. The architecture selected is that of a monocular camera applied to the space sector. Due to the versatility of the instrument, both for the performance and the economic side, a synthetic image generator software, capable of reproducing almost any scenario, has been exploited to create images of an unknown, for now, and uncooperative object. Due to the vast number of scenario it could not be possible to perform tests on everyone of them, so one has been chosen, proximity operations/active space debris removal. In the last year the worldwide interest for this new type of mission has been exponentially increasing and, for this reason, it has been selected. The target chosen is a space debris called VESPA. Then, after the creation of the images, a feature based method for relative navigation has been implemented and tests have been carried out. In conclusion, the results obtained are presented and critically analysed, giving also some tracks to follow in order to improve their quality.

Durante il corso del tempo la continua evoluzione delle missioni spaziale ha richiesto lo sviluppo di tecnologie sempre più avanzate. Negli ultimi anni, spacecrafts autonomi capaci di eseguire differenti tipi di missioni, sono stati utilizzati sempre di più. Questa tipologia di spacecraft sono spesso equipaggiati con dei sensori ottici ed un software di computer vision, così che anche le tipologie di missioni più pericolose, ma allo stesso tempo più interessanti ed utili, possano essere svolte, per esempio, attracco, raccolta di campioni da un asteroide, navigazione relativa, ecc... Il campo della computer vision è quello che si occupa della navigazione ottica, e, come si può evincere dal nome, cerca di capire come un computer vede ed elabora le immagini. Si basa su molte tecnologie, statistica, elaborazione di immagini e di segnali, metodi d’ottimizzazione, ecc... . Un processo comune e popolare con il quale è spesso svolta la navigazione ottica, è lo V-SLAM, Visual-Simultaneous Location And Mapping, che, come possibile capire dal nome, si occupa di stimare la posizione di un robot, dotato di una camera, in un ambiente sconosciuto e simultaneamente mappare quest’ultimo. In questa tesi l’algoritmo dello V-SLAM, in una delle sue tante forme, è stato implementato ed investigato, così da vedere se un suo utilizzo in tempo reale sia possibile, nonchè anche la sua accuratezza. L’archietettura selezionata è quella di una camera monoculare nel settore spaziale. Grazie alla versatilità dello strumento, sia dal lato delle prestazione che da quello economico, un software in grado di generare immagini sintetiche, fedeli quasi a tutti i tipi di scenario, è stato utilizzato per creare immagini di un oggetto sconosciuto, per il momento, e non cooperativo. Poiché il numero di scenari possibili è molto vasto, non è possibile fare dei test su ogni di essi, uno di loro è stato scelto, operazione di prossimità/Rimozione attiva di detriti spaziali. L’interesse del mondo in questo argomento è aumentato esponenzialmente negli ultimi anni e per questo è stato selezionato. L’oggetto scelto come obbiettivo è un detrito spaziale di nome VESPA. Quindi, dopo la creazione delle immagini, un metodo per la navigazione relativa basato sulle features è stato implemetato e dei tests sono stati svolti. In conclusione, i risultati ottenuti sono presentati e analizzati con occhio critico, dando anche dei consigli da seguire in futuro per migliorarli.