Evaluation of Lunar GNSS- and Vision-Based Navigation Techniques for Lunar Landing

The Moon has become a focal point for exploration, with recent successful landings in the South Pole, a region of great interest for its scientific discovery potential. However, lunar missions face challenges in precision landing, as evidenced by recent failures and the need for real-time operations accuracy. VBN (Vision-Based Navigation) using EO (Electro- Optical) sensors has been a key technology, but it has limitations, especially in challenging lighting conditions and in some cases lack of range information. The main focus of this thesis is to explore the potential of a LCNS (Lunar Communication and Navigation Service), proposed by space agencies such as NASA and ESA, to enhance lunar navigation. The aim is to evaluate the accuracy of lunar landing achieved by constellation measurements and a vision-based algorithm based on relative displacement measurements. The work addresses the optimal integration of constellation measurements within a navigation filter, considering different constellations’ configurations and phases of a descent scenario. The thesis structure involves a review of navigation filtering strategies, optical navigation techniques, and the principles of GNSS (Global Navigation Satellite System), and their integration with INS (Inertial Navigation System). The proposed mission scenario for a lunar landing encompasses the coasting and braking phases, including the selected constellation consisting of three ELFO (Elliptic Lunar Frozen Orbit). Practical implementation of filtering schemes for absolute and relative navigation is presented, incorporating LCNS observables for absolute navigation and monocular camera-derived relative displacement measurements. Analyses of navigation performance in both scenarios are conducted, revealing insights into the capabilities and limitations of both approaches. In conclusion, the study contributes to answer the question of how lunar constellation measurements can enhance landing accuracy, concurrently evaluating the performance achieved by a vision-based technique, representing a first step for future sensor fusions. The findings offer a pathway for cost-effective utilization of on-board sensors and lay the groundwork for future improvements and developments in lunar navigation.

La Luna rappresenta un punto focale per l’esplorazione, visti anche i recenti successi di allunaggio al Polo Sud, che offre un enorme potenziale nella ricerca scientifica. Tuttavia, le missioni lunari presentano importanti sfide finalizzate a raggiungere la massima precisione nell’allunaggio, come evidenziato dai recenti fallimenti e dalla necessità di operazioni in tempo reale. La tecnologia basata su VBN (Vision-Based Navigation), la quale utilizza sensori elettro-ottici, è fondamentale per il successo di una missione lunare, ma presenta limitazioni, specialmente in condizioni di illuminazione difficili ed in alcuni casi mancanza di informazioni sulla distanza dalla superficie. Il focus principale di questa tesi è esplorare il potenziale di una costellazione lunare (Lunar Communication and Navigation Service), proposta da agenzie spaziali come la NASA e l’ESA, per migliorare la navigazione lunare. L’obiettivo è valutare l’accuratezza dell’atterraggio lunare ottenuta mediante misurazioni provenienti dalla costellazione e un algoritmo basato su misure di spostamento del satellite. Il lavoro affronta l’integrazione ottimale delle misure derivanti dalla costellazione all’interno di un filtro di navigazione, considerando diverse geometrie di costellazioni e fasi della discesa. La tesi comprende una revisione delle strategie di filtraggio, delle tecniche di navigazione ottica e dei principi del GNSS e della loro integrazione con sistemi di navigazione inerziali. Lo scenario di missione proposto per un atterraggio lunare comprende le fasi di coasting e braking, e include la costellazione selezionata composta da tre orbite lunari ellittiche (Elliptical Lunar Frozen Orbit). L’implementazione degli schemi di filtraggio per navigazione assoluta e relativa viene poi presentata, incorporando le misure derivate dalla costellazione per la navigazione assoluta e misurazioni di spostamento relativo derivate da una camera. Successivamente vengono analizzate le prestazioni raggiunte nei due scenari, approfondendo le capacità e limitazioni di entrambi gli approcci. In conclusione, lo studio contribuisce a rispondere alla domanda su come le misurazioni delle costellazioni lunari possano migliorare l’accuratezza dell’allunaggio, valutando contemporaneamente le prestazioni ottenute da una tecnica basata sulla navigazione ottica, rappresentando un primo passo per una futura integrazione delle due. I risultati aprono la strada ad un impiego efficiente dei sensori di bordo e gettano le basi per futuri miglioramenti e sviluppi nella navigazione lunare.