Maneuver-based scale estimation in visual SLAM for asteroid exploration

A fundamental challenge in monocular Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) for spaceborne navigation around small bodies is the inherent scale ambiguity of visual measurements. Current SLAM approaches for small-body exploration rely on laser-based ranging or assume a priori knowledge of the scale. This thesis presents a cost-effective proof-of-concept for resolving visual scale ambiguity in SLAM using proximity maneuvers. The proposed method breaks scale invariance by estimating an explicit scale parameter, leveraging the coupling between maneuver-induced dynamics and multi-view visual constraints - an approach known as Delta-V ranging. Instead of estimating a global scaling factor for the SLAM solution to fit the absolute scale of the maneuvers, the algorithm reframes the problem by estimating a localized scale parameter that aligns the maneuvers with the current trajectory estimates. The methodology employs state-of-the-art SLAM back-end techniques, integrating factor graphs for sensor fusion and the iSAM2 solver to incrementally estimate the spacecraft-body relative state, a surface point map, and the small body's gravitational parameter. Upon maneuver execution, the algorithm enters a dedicated mode that explicitly estimates the maneuvers' scale, thanks to a specifically designed two-body dynamics factor. Once the scale estimate converges, the entire solution undergoes a reset step, rescaling all unknowns consistently and aligning them with the true absolute scale. Simulation results demonstrate that the procedure successfully resolves scale ambiguity, yielding accurate estimates, provided the spacecraft follows a diverse trajectory with intense maneuvers within the asteroid's sphere of influence. The algorithm remains robust across a wide range of prior position and velocity errors, consistently reconstructing the true trajectory, asteroid shape, and gravitational parameter with only a few percent error.

L’ambiguità intrinseca della scala nelle misurazioni visive rappresenta una difficoltà considerevole nella localizzazione e mappatura simultanea (SLAM) monoculare per la navigazione spaziale attorno a piccoli corpi celesti. Gli attuali approcci SLAM per l’esplorazione di piccoli corpi si basano su misurazioni laser o assumono di conoscere a priori la scala. Questa tesi propone una prova di fattibilità economicamente vantaggiosa per la risoluzione dell’ambiguità di scala nello SLAM tramite manovre di prossimità. Il metodo proposto risolve il problema esplicitamente stimando un parametro di scala, sfruttando il legame tra la dinamica influenzata dalle manovre e la geometria multi-vista - un approccio noto come Delta-V ranging. Anziché stimare un fattore di scala globale per adattare la soluzione SLAM alla scala assoluta delle manovre, l’algoritmo riformula il problema stimando un parametro di scala localizzato, che allinea le manovre alla stima corrente della traiettoria. La metodologia impiega lo stato dell'arte delle tecniche di ottimizzazione nello SLAM, impiegando grafi con fattori per la fusione dei sensori e il risolutore iSAM2, per stimare in modo incrementale lo stato della sonda, una mappa della superficie e il parametro gravitazionale del corpo celeste. Dopo l'esecuzione di una manovra, l’algoritmo entra in una modalità dedicata che stima esplicitamente la scala delle manovre grazie a uno specifico fattore dinamico basato sul problema dei due corpi. A convergenza della scala, l’intera soluzione è sottoposta a un’operazione di reset, riscalando in modo coerente tutte le variabili del problema e allineandole alla vera scala assoluta. I risultati delle simulazioni dimostrano che la procedura aggira con successo l’ambiguità di scala, restituendo stime accurate, a condizione che la sonda segua una traiettoria diversificata all’interno della sfera d’influenza dell’asteroide con forti manovre. L’algoritmo si dimostra inoltre robusto rispetto a un’ampia gamma di errori iniziali di posizione e velocità, ricostruendo costantemente la traiettoria, la forma dell’asteroide e il parametro gravitazionale con un errore residuo di pochi punti percentuali.