In-situ calibration of a photogrammetry system to measure thermoelastic deformations during TVAC testing

In the Large Space Simulator (LSS), the largest thermal vacuum chamber in Europe, hosted by the European Space Agency in the ESTEC establishment, large satellites are tested at a pressure as low as 3E-6 mbar and temperature reaching a cryogenic level lower than 100 K. The chamber is also equipped with a Sun simulator that can provide up to 11000 W/m2 to simulate accurately the environment satellites need to survive in space. An essential measurement to be performed during a spacecraft test in the LSS is the measurement of thermoelastic deformations due to thermal cycling. So far, this could be achieved through a fixed-position photogrammetry system consisting of optical cameras that, by triangulating several images, can retrieve the coordi nates of retroreflective targets mounted on the test object. However, a limiting factor concerning the accuracy of such measurement is that the calibration of the photogrammetry cameras requires the cameras to be moved around the calibration artifact and rotated about their optical axis, which can not be done if the camera positions are fixed. For this reason, the system must be calibrated outside the LSS and brought inside the chamber for the test. Since any interaction with the cameras, including handling and temperature variations, can change their internal parameters, the calibration done before the test is inevitably affected by some error with respect to the system’s actual configuration during the measurement. Therefore, this research aims to develop a photogrammetry measurement set-up that, by moving the cameras around the test object and rotating them about their optical axis, enables the in-situ calibration of the system when it is already placed in the LSS. This has never been performed at ESTEC and has the straightforward goal of improving the accuracy and precision of the successive thermoelastic deformations measurement, to be carried out during the thermal cycling. The steps that are necessary to investigate the possibility of realising such an innovative system involve the familiarisation with the already existing photogrammetry acquisition equipment, followed by the in-ambient calibration of the cameras, and subsequently the planning and execution of a test plan aimed at simulating in laboratory conditions the exact photogrammetry measurement to be carried out in the LSS, to evaluate the measurement performance resulting from in-situ calibration. Lastly, this research has the objective to determine the optimal photogrammetric configuration that guarantees the best measurement performance, within the limits of the measurement system, by creating and analysing several different measurement configurations.

All’interno del Large Space Simulator (LSS), la più grande camera termo-vuoto in Europa, che si trova nello stabilimento ESTEC dell’Agenzia Spaziale Europea, satelliti di grandi dimensioni vengono testati in condizioni di pressione fino a 3E-6 mbar e temperatura che raggiunge un livello criogenico inferiore ai 100 K. La camera è anche equipaggiata di un simulatore del Sole che può irradiare fino a 11000 W/m2, al fine di simulare accuratamente l’ambiente a cui i satelliti devono sopravvivere, nello spazio. Una misurazione fondamentale da realizzare durante il test di un satellite nel LSS è la misurazione delle deformazioni termoelastiche dovute ai cicli termici. Ad oggi, questa misurazione si può realizzare tramite un sistema fotogrammetrico fisso che consiste di fotocamere ottiche che, triangolando diverse immagini dello stesso oggetto realizzate da angolazioni diverse, può calcolare le coordinate di bersagli retro-riflettenti montati sul satellite soggetto al test. L’accuratezza di tale misurazione è tuttavia attualmente limitata dal fatto che la calibrazione delle fotocamere utilizzate richiede che esse vengano riposizionate numerose volte attorno al componente oggetto del test e che vengano ruotate attorno al proprio asse ottico, operazione che non è realizzabile in un sistema fotogrammetrico fisso, in cui cioè la posizione e l’orientamento delle fotocamere non è mobile. Per questo motivo, il sistema fotogrammetrico deve essere calibrato fuori dal LSS e trasportato all’interno in occasione del test. Siccome qualsiasi interazione con le fotocamere, inclusi la loro manipolazione e il sottoporle a variazioni di temperatura, ne può modificare i parametri interni, la calibrazione effettuata prima del test è inevitabilmente affetta da un errore rispetto alla configurazione reale che si ha durante il test. Quindi, l’obiettivo di questa ricerca è di sviluppare un set-up di misurazione fotogrammetrico che, attraverso la movimentazione delle fotocamere attorno al componente oggetto del test e la loro rotazione attorno al proprio asse ottico, permetta la calibrazione in-situ del sistema quando venga già posizionato all’interno del LSS. Questo tipo di calibrazione non è mai stata realizzata ad ESTEC ed ha lo scopo di migliorare l’accuratezza e la precisione della successiva misurazione delle deformazioni termoelastiche, che si realizzerà durante il ciclo termico. Le fasi di lavoro necessarie per investigare la possibilità di realizzare questo sistema innovativo includono la familiarizzazione con l’esistente sistema di acquisizione ottica, seguita dalla calibrazione in-ambiente delle fotocamere e dalla pianificazione e realizzazione di un piano di misurazioni il cui obiettivo sia di simulare in condizioni di laboratorio la misurazione da compiere all’interno del LSS, in modo da valutare l’accuratezza e la precisione della misurazione ottenuta a seguito di calibrazione in-situ. Infine, questa ricerca si pone anche l’obiettivo di ricercare la configurazione ottimale che garantisca le migliori performance di misura, nei limiti del sistema utilizzato, attraverso la realizzazione e l’analisi di diverse configurazioni fotogrammetriche.