Novel thermal images generator for autonomous space proximity operations

New space missions will require a high level of autonomy in proximity scenarios such as landing and docking, indeed as the exploration boundary is set further and further away from Earth any command sent will arrive too late to guide the spacecraft in such critical phases. Vision based systems can provide the answer to this call but they rely on visible light, thus despite their high level of development they cannot be used in adverse illumination conditions nor in dark scenarios such as eclipse phases while docking or landing. On the other hand, infrared based systems can operate in any light condition as the target itself is the source of the signal, thus providing the robustness and reliability required to operate in any scenario under any condition. Despite the advantages of infrared based systems, the literature on this topic is still very scarce and there is no method to be used for the generation of synthetic infrared images. The latter is a fundamental step in the design process as having the possibility to simulate what the infrared camera will provide enables the testing and optimization of navigation algorithms. At the same time in order to create realistic synthetic images very high level of detail is required to the thermal analysis from which the thermal image is generated. This research work proposes a method that is able to provide a high detail thermal analysis and a method to generate the thermal image from such analyses. The result is a pipeline that is able to compute thermal images given the thermal camera parameters. The method is tested on spacecraft target proximity scenarios to check the effects of the different materials of the target and the effects produced by the different shapes. Furthermore, the method is tested also on asteroid targets to verify it is able to catch all the terrain details thus providing a realistic image of the asteroid soil. As the last test, the pipeline is applied in an actual phase B mission on the detection and proximity flight of a space debris object, providing the team with the requested images to test the navigation algorithms. The final outcome of the thesis is a method and a pipeline that can be used to generate thermal images in any space mission context with any thermal camera model thus enabling the testing of navigation algorithms and related hardware on ground.

Le nuove missioni spaziali richiederanno sempre più autonomia nelle manovre di prossimità quali atterraggi e avvicinamenti, man mano che la frontiera dell'esplorazione viene spostata sempre più lontano dalla terra qualsiasi comando arriverebbe troppo tardi in scenari così critici. La navigazione ottica è un ottima soluzione in questo campo ma è limitata dalle condizioni di luce e non può essere usata in caso di scenari completamente bui come le eclissi. Sistemi che usano invece lo spettro dell'infrarosso possono operare in qualsiasi condizione di luce, in quanto l'oggetto stesso è la sorgente del segnale, di conseguenza risultando sistemi molto più robusti. Nonostante i vantaggi dei sistemi infrarosso c'è poca letteratura a riguardo e non c'è un metodo per poter generare immagini termiche sintetiche. La generazioni di immagini sintetiche è un passo fondamentale nel design di una missione che usa sistemi infrarosso in quanto permette di verificare cosa la termocamera vedrà e ottimizzare i suoi parametri in base alle necessità degli algoritmi di navigazione. Per generare tali immagini è richiesto un alto livello di dettaglio nelle analisi termiche, difatti il lavoro di ricerca riportato in questa testi propone un metodo che sia in grado di produrre tali analisi di dettaglio e generare immagini termiche. Il risultato è una catena di lavoro che produce immagini termiche sintetiche prendendo in input i dati della termocamera. Il metodo è stato applicato in un scenario con un satellite artificiale per testare le capacità di riprodurre gli effetti sull'immagine finale dei materiali e delle forme del satellite. Successivamente è stato testato su un asteroide per vedere se il metodo fosse in grado di gestire e riprodurre anche i dettagli del terreno e creare un'immagine realistica. Come test finale il metodo è stato testato in una missione in fase B dedicata all'osservazione e avvicinamento di un detrito spaziale, in questo caso sono state prodotte le immagini termiche richieste dal team per testare gli algoritmi di navigazione. Il risultato finale della testi è un flusso di lavoro e un metodo che è in grado di generare immagini infrarosso sintetiche per ogni scenario in ambito spazio e per differenti modelli di termocamera, permettendo quindi di testare gli algoritmi di navigazione e il corrispettivo hardware a terra.