Multi-spectral visual odometry for proximity operations missions

The growing interest in proximity operation missions for satellite maintenance and orbital debris removal highlights the need for robust and reliable relative navigation systems capable of approaching unknown uncooperative target spacecraft. In the absence of a 3D wireframe model of the target, monocular visual odometry represents a possible navigation strategy for both the recognition and the approach phases. However, the use of a light, passive and simple monocular camera is subject to the scale ambiguity in motion estimation. This problem can be tackled by adopting a stereo camera or by combining measurements from multiple cameras, exploiting the known baseline between them. Under harsh orbital illumination conditions, the introduction of thermal infrared cameras into navigation pipelines can significantly improve the robustness of systems relying solely on visible-spectrum cameras. The proposed work exploits the configuration of a space manipulator system for proximity operations, introducing two monocular cameras for the navigation segment: one fixed to the chaser spacecraft and one mounted on the robotic arm. To further enhance the robustness of the pipeline, a multi-spectral approach is adopted, with one camera operating in the Visible (VIS) band and the other in the Thermal Infrared (TIR) band. A set of case studies is analyzed to evaluate the effectiveness of the proposed method, using both TIR/TIR and VIS/TIR configurations under varying illumination conditions and ranges. The results highlight the effectiveness of the proposed pipeline in pose reconstruction and scale ambiguity resolution, while also indicating some limitations and potential directions for future work.

Il crescente interesse verso le missioni di operazioni di prossimità, finalizzate alla manutenzione satellitare e alla rimozione dei detriti orbitali, evidenzia la necessità di sistemi di navigazione relativa robusti e affidabili, capaci di avvicinarsi anche a bersagli sconosciuti e non cooperativi. In assenza di un modello 3D del target, l’odometria visuale monoculare rappresenta una possibile strategia di navigazione per le fasi di avvicinamento e riconoscimento. Tuttavia, l’impiego di una camera monoculare è soggetto all’ambiguità di scala nella stima del moto. Tale problema può essere superato adottando una camera stereo o combinando le misure di più camere, sfruttando la baseline nota tra di esse. Nelle difficili condizioni di illuminazione orbitali, l’integrazione di camere a infrarosso termico nelle pipeline di navigazione può migliorare significativamente la robustezza dei sistemi basati unicamente su camere operanti nello spettro visibile. Il lavoro proposto sfrutta la configurazione di un sistema manipolatore spaziale per operazioni in prossimità, introducendo due camere monoculari per il segmento di navigazione: una fissata al satellite inseguitore e una montata sul braccio robotico. Per incrementare ulteriormente la robustezza del sistema, viene adottato un approccio multi-spettrale, con una camera operante nella banda visibile (VIS) e l’altra nell’infrarosso termico (TIR). Diversi casi studio sono analizzati per valutare l’efficacia del metodo proposto, utilizzando sia configurazioni TIR/TIR sia VIS/TIR in condizioni di illuminazione e distanze variabili. I risultati evidenziano l’efficacia del pipeline proposta nella ricostruzione della posa e nella risoluzione dell’ambiguità di scala, evidenziando al contempo alcune limitazioni e possibili direzioni per lavori futuri.