A Hardware-In-the-Loop simulation framework for fast-prototyping of Vision-Based Navigation algorithms

The field of space navigation is gradually evolving toward greater spacecraft autonomy with the goal of reducing dependence on ground stations. In this context, optical navigation in proximity of celestial bodies is becoming essential. The on-board computer plays a key role in analyzing and processing the images acquired by the camera. Subsequently, the collected data are used by guidance and navigation algorithms to estimate the state of the system, thereby determining the position of the spacecraft relative to the celestial body being observed. The thesis work aims to contribute to the process of testing and validating image processing and navigation algorithms by the implementation of a Hardware-In-the-Loop simulation framework. Previous studies conducted by the Deep-space Astrodynamics Research & Technology (DART) Group at Politecnico di Milano led to the development of Camera-In-the-Loop (CIL) and Processor-In-the-Loop (PIL) frameworks. Based on these latter, a Hardware-In-the-Loop (HIL) simulation framework is created integrating and interfacing hardware components. Specifically, the TinyV3RSE optical facility is used for image acquisition, while an on-board computer, Raspberry Pi, runs the algorithms. The established connections are tested and validated through HIL simulations. The output results are processed and validated comparing them with the results of simulations performed with the use of ideal images, i.e. not acquired by the camera. The developed framework is flexible and adaptable to various missions which employs optical navigation. Consequently, the LUMIO mission of the European Space Agency (ESA) is chosen as a case study to test and validate the simulation environment developed.

Il campo della navigazione spaziale sta gradualmente evolvendo verso la maggiore autonomia degli spacecraft, con l'obiettivo di ridurre la dipendenza dalle stazioni terrestri. In questo contesto, la navigazione ottica in prossimità di corpi celesti sta guadagnando sempre più importanza. Il computer di bordo svolge un ruolo fondamentale nell'analisi e elaborazione delle immagini acquisite dalla fotocamera. Successivamente, i dati raccolti vengono utilizzati da algoritmi di guida e navigazione per stimare lo stato del sistema, determinando così la posizione dello spacecraft rispetto al corpo celeste che viene fotografato. La tesi di laurea mira a contribuire al processo di test e validazione degli algoritmi di elaborazione delle immagini e di navigazione, attraverso la validazione di un framework di simulazione Hardware-In-the-Loop. Studi precedenti condotti dal Gruppo Deep-space Astrodynamics Research & Technology (DART) presso il Politecnico di Milano hanno portato allo sviluppo di framework di Camera-In-the-Loop (CIL) e Processor-In-the-Loop (PIL). A partire da questi ultimi, è stato creato un nuovo framework di simulazione Hardware-In-the-Loop, che integra e interfaccia le componenti hardware. In particolare, la facility ottica TinyV3RSE viene utilizzata per l'acquisizione delle immagini, mentre un computer di bordo, Raspberry Pi, esegue gli algoritmi. Le connessioni stabilite tra le componenti sono testate e validate attraverso simulazioni HIL. In particolare, i risultati ottenuti sono analizzati e validati confrontandoli con quelli di simulazioni condotte usando immagini ideali, ovvero non acquisite dalla fotocamera della facility. Il framework sviluppato è flessibile e adattabile a tutte le missioni che utilizzano la navigazione ottica. Per questo motivo, la missione LUMIO dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA) è scelta per testare e validare l'ambiente di simulazione sviluppato.