Relative pose estimation of spacecraft using ArUco markers

Spacecraft navigation involves using measurements to ascertain the spacecraft’s current and future position and attitude. The navigation task is crucial and it involves using sensors, actuators, and dynamical models. In this thesis, the problem of relative navigation between a chaser and target spacecraft which are in close proximity to each other is investigated. A number of applications including formation flying, On-Orbit Servicing (O-OS) of operational satellites, and Active Debris Removal (ADR) takes advantage of models adopted for this problem. In such a scenario, the active satellite which is the chaser would be required to estimate the relative state with high accuracy to meet the controller requirements and to avoid the collision between the spacecrafts.The target spacecraft has fiducial markers called ArUco and the camera on chaser is used to obtain the images of the target. Prior to determining the target/chaser relative position and attitude, images are acquired and analyzed to determine the pose using computer vision algorithms and this pose estimate is then incorporated into the particle filter’s measurement equation. Relative position and attitude estimates were obtained with good accuracy using this method.

La navigazione del veicolo spaziale implica l’utilizzo di misurazioni per accertare la posizione e l’atteggiamento attuali e futuri del veicolo spaziale. Il compito di navigazione è cruciale e comporta l’utilizzo di sensori, attuatori e modelli dinamici. In questa tesi, viene indagato il problema della navigazione relativa tra un inseguitore e un veicolo spaziale bersaglio che sono in stretta vicinanza l’uno all’altro. Numerose applicazioni tra cui il volo in formazione, il servizio in orbita (O-OS) di satelliti operativi e la rimozione attiva dei detriti (ADR) sfruttano i modelli adottati per questo problema. In tale scenario, il satellite attivo che è il cacciatore dovrebbe stimare lo stato relativo con elevata precisione per soddisfare i requisiti del controllore ed evitare la collisione tra i veicoli spaziali. Il veicolo spaziale bersaglio ha marcatori fiduciari chiamati ArUco e la telecamera sul cacciatore viene utilizzato per ottenere le immagini del bersaglio. Prima di determinare la posizione e l’atteggiamento relativi del bersaglio/inseguitore, le immagini vengono acquisite e analizzate per determinare la posa utilizzando algoritmi di visione artificiale e questa stima della posa viene quindi incorporata nell’equazione di misurazione del filtro antiparticolato. Le stime relative di posizione e assetto sono state ottenute con buona precisione utilizzando questo metodo.