Multispectral vision-based navigation to enhance space proximity operations

Close-proximity operations play a crucial role in new classes of missions, such as Active Debris Removal. Approaching a non-cooperative target, the elevated risk of collision and the scarce reliance on ground intervention dictate the need for autonomous onboard pose (attitude and position) estimation for the chaser spacecraft. Monocular cameras operating in the visible (VIS) spectrum have been widely investigated and in-flight tested for navigation applications because of their adequate balance between the quality of the provided data and the limited mass and power consumption. However, the strong dependency of the results on the target’s illumination condition strongly reduces this sensor’s application range. A frequently investigated solution to mitigate this problem is the implementation of a monocular thermal-infrared (TIR) camera concurrently with the visible one. Thermal sensors provide lower-quality data than visible sensors but they are less dependent on illumination conditions. This thesis proposes a novel visual navigation pipeline to perform pose tracking with measurements obtained from a VIS and a TIR monocular camera. The navigation algorithm exploits the point features extracted from the images to perform model-based pose estimation with respect to a known target. The point features detected in the multispectral images are fused with a tightly coupled approach through an Extended Kalman Filter, whose output is the refined pose of the chaser. Such innovative pipeline will be presented in detail in this thesis, along with tests performed with synthetic images. The proposed navigation chain successfully performs the pose estimation: results will be presented, assessing the contribution of combining a TIR and a VIS monocular camera, studying the performance of the fused multispectral information and characterizing the performance of TIR-only navigation in low-illumination conditions. This thesis is intended to contribute to the assessment of the performance and robustness of multispectral visual navigation and developing pose estimation schemes which operate in demanding environments like Active Debris Removal.

Le operazioni di prossimità ravvicinata ricoprono un ruolo cruciale nelle nuove classi di missioni, come la Rimozione Attiva di Detriti (ADR). Avvicinandosi ad un target non cooperativo, l'elevato rischio di collisione e la scarsa possibilità di affidarsi ad un intervento da terra richiedono la stima autonoma della posa (assetto e posizione) dell' inseguitore. Le fotocamere monoculari nello spettro visibile sono state ampiamente studiate e testate per applicazioni di navigazione visto il loro bilanciato rapporto tra la qualità dei dati che forniscono e le ridotte massa e potenza richieste. Tuttavia, la forte dipendenza dei dati forniti dalla condizione di illuminazione del target riduce fortemente le possibilità di applicazione del sensore. Una soluzione frequentemente proposta per mitigare questo problema è l'implementazione di una fotocamera monoculare termica insieme a quella visibile. I sensori termici forniscono dati di minor qualità rispetto a quelli visibili, ma sono meno dipendenti dalle condizioni di illuminazione. Questa tesi propone una catena di navigazione innovativa per effettuare il rilevamento della posa tramite misurazioni ottenute da una camera visibile e una termica. L'algoritmo di navigazione usa i punti d'interesse estratti dalle immagini per effettuare la stima della posa con un approccio model-based rispetto ad un obiettivo noto. I punti d'interesse identificati nelle immagini multispettrali sono fusi con un approccio strettamente accoppiato attraverso un Filtro di Kalman Esteso (EKF), il cui output è la posa corretta dell' inseguitore. La tesi presenta il suddetto algoritmo, che effettua con successo la stima della posa, insieme ai test effettuati su immagini sintetiche. Si valuta il contributo della combinazione delle fotocamere visibili e termiche, analizzando inoltre la possibile applicazione della navigazione solo termica in scarse condizioni di illuminazione. La tesi vuole contribuire alla comprensione delle prestazioni e della robustezza della navigazione ottica multispettrale e a sviluppare algoritmi per la stima della posa che possano operare in ambienti difficili come quello della Rimozione Attiva di Detriti.