Vision-based relative pose estimation for proximity operations near small bodies

Proximity operations in space have become increasingly common in recent years due to the growing interest in activities such as asteroid exploration, satellite servicing, and space debris management. This thesis presents a novel method for autonomous satellite relative navigation within the Elliptic Restricted Three-Body Problem framework. The primary focus is on determining the relative pose of a satellite using a monocular camera as it orbits the Moon, influenced by the gravitational pull of both the Earth and the Moon. To achieve a realistic simulation of an asteroid, an artificial shape is modelled as an ellipsoid with added noise to simulate surface irregularities. A series of reference points are selected and strategically distributed across the asteroid’s surface to ensure consistent tracking. Visibility conditions are evaluated by factoring in the Sun’s position, which determines which points are observable creating realistic observational constraints. The satellite’s monocular camera captures these visible reference points, and the Efficient Perspective-n-Point (EPnP) Problem algorithm is applied to obtain measurements while incorporating intrinsic inaccuracies and simulated measurement errors. Measurement data is refined using the Extended Kalman Filter along with its Multiplicative version, integrating them with linearised system dynamics for robust estimation of both position and attitude. This research showcases the potential for continuous tracking and pose estimation using only monocular vision, presenting an efficient and cost-effective alternative that reduces reliance on high-end sensors. The study validates that this approach effectively maintains accurate relative navigation, even with simulated measurement errors, uneven surface conditions, and complex gravitational influences. The findings contribute to the design and planning of future space missions, providing a dependable framework for asteroid exploration and resource utilisation in practical scenarios.

Le operazioni di prossimità nello spazio sono diventate sempre più comuni negli ultimi anni a causa del crescente interesse per attività come l'esplorazione degli asteroidi, la manutenzione dei satelliti e la gestione dei detriti spaziali. Questa tesi presenta un metodo innovativo per la navigazione autonoma di un satellite in prossimità di un asteroide all'interno del contesto del Problema Ristretto Ellittico dei Tre Corpi. L'attenzione principale è rivolta alla determinazione della posa relativa di un satellite utilizzando una telecamera monoculare mentre orbita attorno alla Luna, influenzato dalla forza gravitazionale sia della Terra che della Luna. Per ottenere una simulazione realistica di un asteroide, una forma artificiale è modellata come un ellissoide con l'aggiunta di rumore per simulare le irregolarità della superficie. Una serie di punti di riferimento è selezionata e distribuita strategicamente sulla superficie dell'asteroide per garantire un tracciamento costante. Le condizioni di visibilità sono valutate tenendo conto della posizione del Sole, determinando quali punti sono osservabili e creando vincoli osservativi realistici. La telecamera monoculare del satellite cattura questi punti di riferimento visibili e l'algoritmo Efficient Perspective-n-Point (EPnP) viene applicato per ottenere le misure, incorporando imprecisioni intrinseche ed errori di misura. Le misure sono poi affinate utilizzando un Filtro di Kalman Esteso insieme alla sua versione Moltiplicativa, integrandoli con la dinamica del sistema linearizzata per una stima robusta sia della posizione che dell'assetto. Questa ricerca dimostra il potenziale per un tracciamento continuo e una stima della posa utilizzando solo la visione monoculare, presentando un'alternativa efficiente ed economica che riduce la dipendenza da sensori avanzati. Lo studio conferma che questo approccio mantiene efficacemente una navigazione relativa accurata, anche in presenza di errori di misura, condizioni superficiali irregolari e influenze gravitazionali complesse. I risultati contribuiscono alla progettazione e alla pianificazione di future missioni spaziali, fornendo un quadro affidabile per l'esplorazione degli asteroidi in scenari pratici.