Infrared vision-based navigation for planetary landing

The exploration of celestial bodies such as the Moon or Mars has been, is and will be for many years to come one of the main objects of interest in space research. Amongst the most helpful missions in this perspective are those landing a spacecraft for on-site analysis and experimentation. The task of landing on a planetary surface is not trivial. The lander must be provided with a fully autonomous navigation system capable of handling the extremely complex and delicate descent towards ground. A revolutionary technology in the field of spacecraft landing has recently witnessed one of its first successful implementations with JAXA's SLIM mission: Vision-based Navigation. By extracting salient features from the images of one or multiple on-board sensors and tracking them during motion, position and orientation of the spacecraft for each consecutive frame can be retrieved with respect to the observed scenario. This allows to provide the data necessary to carry out landing navigation and hazard avoidance with unprecedented accuracy. The strategy, however, is strongly dependant on the scene's illumination conditions. This thesis investigates the possibility of freeing Vision-based Navigation from said limit by assessing the possibility of working in the infrared band. The study is a preliminary evaluation of the effectiveness of visually assessed algorithms on infrared planetary surface frames. A detailed review of the main Computer Vision algorithms used for Vision-based Navigation and the various methods and approaches exploitable for a spacecraft landing scenario are presented. Realistic image sequences simulating the approach of a lander, provided with a monocular infrared sensor, to the Martian surface are created by manipulating real infrared mosaics from Mars Odyssey and used for extensive testing. The most common and well-assessed Computer Vision algorithms found in literature are executed on these image sequences to find out if Infrared Vision-based Navigation for planetary landing is possible and under which conditions. After evaluating feasibility, the effectiveness of performance enhancement strategies is investigated and the algorithms most compatible with the application identified. Finally, a detailed technology development program for the future is suggested.

L'esplorazione di corpi celesti come la Luna o Marte è stata, è, e sarà per molti anni a venire uno dei principali obbiettivi della ricerca in ambito spaziale. Da questo punto di vista, una delle tipologie più utili di missioni sono quelle che prevedono l'atterraggio sul corpo di un veicolo per analisi e sperimentazioni in situ. L'atterraggio di un veicolo spaziale su una superficie planetaria non è semplice. Il lander deve possedere un sistema di navigazione completamente autonomo in grado di gestire l'estremamente complesso e delicato appoccio al terreno. Una tecnologia rivoluzionaria nel campo degli atterraggi di veicoli spaziali ha recentemente ottenuto uno dei suoi primi successi con la missione SLIM di JAXA: la navigazione ottica. Estraendo punti salienti dalle immagini di uno o più sensori a bordo e tracciandoli nell'arco del moto, posizione e orientamento del veicolo rispetto allo scenario inquadrato possono essere ricavati. Ciò permette di fornire i dati necessari per la navigazione e per evitare pericoli con un'accuratezza mai raggiunta prima. Il metodo, tuttavia, dipende dalle condizioni di illuminazione della scena. La tesi esamina la possibilità di liberare la navigazione ottica da questo limite lavorando nella banda infrarossa. Lo studio è un'analisi preliminare dell'efficacia di algoritmi testati nel visibile su immagini infrarosse di superfici planetarie. Una rassegna dettagliata dei principali algoritmi di Computer Vision usati nella navigazione ottica è presentata assieme alle sue principali strategie per far atterrare un veicolo spaziale su un pianeta. Delle sequenze di immagini realistiche simulanti l'approccio di un lander, dotato di un sensore a infrarossi monoculare, alla superficie marziana sono create manipolando dei veri mosaici infrarossi presi da Mars Odyssey e sfruttate per analisi estensive. Gli algoritmi di Computer Vision più comuni e ben valutati disponibili dalla letteratura sono implementati su queste sequenze di immagini per scoprire se la navigazione ottica a infrarossi è fattibile e a quali condizioni. Dopo la valutazione della fattibilità, l'efficacia di strategie per aumentare le performance è esaminata e gli algoritmi più adatti all'applicazione identificati. In fine, un programma di sviluppo tecnologico per il futuro è consigliato.