Optical Autonomous Navigation: a FUTURE beyond Earth

Autonomous optical navigation is a technique that allows a spacecraft to determine its orbit by observing celestial bodies with its onboard cameras. This technique is especially useful for CubeSat missions, which are small and low-cost satellites. FUTURE is a mission whose aim is to make advancements in the autonomy of spacecraft by providing position knowledge without reliance on operators and ground support services and facilities. This ASI mission aims at flying a set of sensors on a satellite in LEO, and use the data generated to feed different artificial intelligence algorithms to identify features on the Earth’s surface and to elaborate position knowledge. This thesis explores the feasibility of optical autonomous navigation for CubeSats using known terrain features. The steps in the methodology are as follows. First, developing a simulation environment to generate realistic scenarios around various celestial bodies. Second, implementing navigation filters that can process simulated measurements from the camera. Finally, evaluating the performance of the filters. This thesis will explore how a navigation filter can improve the accuracy and robustness of autonomous optical navigation and compare different navigation filters implementation. During the process, will be highlighted the important parameters, and the limits to achieve a desired accuracy using such a system with the aid of a navigation filter. Going beyond the FUTURE mission, as an additional case study, will also be simulated the scenario of orbiting around the Moon. The outcome shows that optical navigation can achieve high enough accuracy (km-level) and versatility for CubeSats to be used for various mission scenarios. The proposed architecture will be directed toward applications beyond LEO, enhancing autonomous operations and navigation in the proximity of any celestial body.

La navigazione ottica autonoma è una tecnica che consente ai satelliti di determinare la propria orbita osservando corpi celesti tramite fotocamere a bordo. Questa tecnica è particolarmente utile per le missioni CubeSat, che sono satelliti piccoli e dal costo contenuto. FUTURE è una di queste missioni, con l'obbiettivo di far progredire l'autonomia dei satelliti, ricostruendo la propria posizione senza dipendere da operatori, servizi e strutture di supporto a terra. Questa missione ASI si propone di utilizzare una serie di sensori a bordo di un satellite in LEO e di sfruttare i dati generati grazie ad algoritmi di intelligenza artificiale per identificare le caratteristiche sulla superficie terrestre e così ricavare la propria posizione. Questa tesi esplora la fattibilità della navigazione ottica autonoma per i CubeSat sfruttando le caratteristiche morfologiche note di un pianeta. Le fasi della metodologia sono le seguenti. In primo luogo, lo sviluppo di un ambiente di simulazione per generare scenari realistici intorno a vari corpi celesti. In secondo luogo, l'implementazione di filtri di navigazione in grado di elaborare le misure simulate dalla telecamera. Infine, la valutazione delle prestazioni dei filtri. Questa tesi esplorerà come un filtro di navigazione possa migliorare l'accuratezza e la robustezza della navigazione ottica autonoma e confronterà diversi filtri di navigazione. Nel processo verranno evidenziati i parametri importanti e i limiti per raggiungere l'accuratezza desiderata, utilizzando un sistema di questo tipo, con l'aiuto di un filtro di navigazione. Andando oltre la missione FUTURE, come ulteriore caso di studio, verrà simulato anche lo scenario di un'orbita attorno alla Luna. I risultati dimostrano che la navigazione ottica può raggiungere un'accuratezza (nell'ordine del km) e una versatilità tali da consentire ai CubeSat di essere utilizzati per molte tipologie di missione. L'architettura proposta è pensata per applicazioni che vanno oltre la LEO, migliorando le operazioni autonome e la navigazione in prossimità di qualsiasi corpo celeste.