Autonomous state estimation for vision-based navigation in lunar landing

Since the dawn of space exploration, the Moon has been the primary target of numerous missions. In recent years, this interest has been renewed, as evidenced by the growing number of initiatives focused on lunar exploration led by space agencies and private companies. The main ambition is to establish a sustained human and robotic presence on the lunar surface, enabling the construction of permanent infrastructure and the exploration of scientifically valuable regions such as the lunar south pole. To achieve these objectives, onboard navigation systems must be both autonomous and precise to enable safe and accurate landings. While the long-term solution may involve the deployment of a lunar constellation providing positioning and communication services, in the near term this challenge can be addressed through crater-based optical navigation. This work assesses the integration of CNav, a crater identification and matching algorithm developed by the German Aerospace Center (DLR), into a navigation system designed for absolute navigation in the lunar environment. The implemented system is based on a sensor fusion scheme that combines measurements from an inertial measurement unit, a star tracker and CNav. In particular, an error-state extended Kalman filter is employed to estimate the spacecraft’s position, velocity, and attitude with respect to a Moon-Centered Moon-Fixed reference frame. Simulation results demonstrate that the filter consistently estimates the state variables and their associated uncertainties in both orbital and descent phases. In particular, promising performance is achieved in position and attitude estimation, showing that CNav-based optical navigation is a promising candidate for future autonomous lunar navigation systems. This work highlights the potential of crater-based navigation systems as a key component for upcoming lunar exploration campaigns.

Fin dalle prime fasi dell’esplorazione spaziale, la Luna è stata il principale obiettivo di numerose missioni. Negli ultimi anni, si è registrato un rinnovato interesse verso la Luna, come testimoniato dal numero crescente di programmi di esplorazione lunare guidati sia da agenzie spaziali che da enti privati. L’obiettivo principale di queste missioni è stabilire una presenza umana e robotica permanente sulla superficie lunare, favorendo la costruzione di infrastrutture stabili e l’esplorazione di aree scientificamente rilevanti, come il polo sud lunare. Per raggiungere tali obiettivi, i sistemi di navigazione a bordo devono essere sia autonomi che precisi affinché si possano realizzare atterraggi sicuri e accurati. Sebbene nel lungo termine si preveda lo sviluppo di una costellazione lunare per fornire servizi di navigazione e comunicazione, nel breve periodo questa sfida può essere affrontata mediante la navigazione ottica basata sui crateri lunari. Questo lavoro analizza l’integrazione di CNav, un algoritmo per l’identificazione e il matching dei crateri sviluppato dal Centro Aerospaziale Tedesco (DLR), all’interno di un sistema di navigazione progettato per fornire una stima assoluta dello stato nel contesto lunare. Il sistema implementato si basa su un algoritmo che combina misurazioni provenienti da un’unità di misura inerziale, uno star tracker e il modulo CNav. In particolare, viene utilizzato un filtro di Kalman esteso basato sull'errore dello stato per stimare posizione, velocità e assetto del veicolo spaziale rispetto a un sistema di riferimento centrato nella Luna e solidale con essa, denominato Moon-Centered Moon-Fixed. I risultati delle simulazioni dimostrano che il filtro fornisce stime consistenti delle variabili di stato e delle relative incertezze sia in fase orbitale che di discesa. In particolare, sono stati ottenuti risultati promettenti per quanto riguarda la stima della posizione e dell’assetto, mostrando come la navigazione ottica basata su CNav rappresenti una soluzione valida per futuri sistemi autonomi di navigazione lunare. Questo lavoro evidenzia il potenziale dei sistemi di navigazione basati su crateri come elemento chiave per le future campagne di esplorazione lunare.