Shape reconstruction of Dimorphos with Milani's NavCam

The ESA Hera mission is the first in-situ follow-up of a planetary defense experiment, aiming to fully characterize the outcome of NASA’s DART kinetic impact on the near-Earth binary asteroid system Didymos–Dimorphos. A key objective of Hera is the accurate reconstruction of Dimorphos’ shape, which is essential to determine its volume and mass, and to correctly interpret the dynamical response induced by the impact. High-fidelity shape models are also crucial for optical navigation in a low-gravity environment. To address its objectives, Hera is supported by the Milani CubeSat, which will provide complementary close-range observations of the system, through its scientific payload and Navigation Camera (NavCam). In this context, this thesis investigates the accuracy of Dimorphos shape reconstruction achievable from Milani NavCam imagery using stereophotoclinometry (SPC). This technique combines photometric and geometric information from images acquired under varying illumination conditions to derive local surface slopes, albedo and topography. The SPC landmark-based processing chain for terrain estimation was complemented with additional modules, developed to adjust landmarks positions on the asteroid surface and to improve spacecraft pose knowledge. The SPC pipeline was applied to simulated images across different mission phases, ranging from far-range to experimental close-proximity operations. Reconstruction performance was evaluated by comparing the estimated Digital Terrain Models with a ground-truth reference shape. The newly implemented functionalities were validated under multiple scenarios, demonstrating a significant reduction in landmark position and spacecraft pose errors, essential to improve the shape reconstruction accuracy. The results indicate that SPC applied to Milani NavCam images can provide valuable information on the shape of Dimorphos, achieving meter- to decimeter-scale accuracy during close-range operations.

La missione Hera dell’ESA rappresenta il primo seguito in situ di un esperimento di difesa planetaria, con l’obiettivo di caratterizzare in modo completo l’esito dell’impatto cinetico della missione DART della NASA sul sistema binario di asteroidi Didymos–Dimorphos. Un obiettivo chiave di Hera è la ricostruzione accurata della forma di Dimorphos, fondamentale per determinarne volume e massa, e per interpretare correttamente la risposta dinamica indotta dall’impatto. Modelli di forma accurati sono inoltre cruciali per la navigazione ottica in un ambiente a bassa gravità. Per il raggiungimento di tali obiettivi, Hera è supportata dal CubeSat Milani, che fornirà osservazioni complementari del sistema tramite il proprio payload scientifico e la camera di navigazion (NavCam). In questo contesto, la presente tesi analizza l’accuratezza della ricostruzione della forma di Dimorphos ottenibile da immagini NavCam di Milani mediante l’impiego della stereofotoclinometria (SPC). Questa tecnica combina informazioni fotometriche e geometriche provenienti da immagini acquisite in condizioni di illuminazione variabili per derivare le pendenze locali della superficie, l’albedo e la topografia. La catena di processamento SPC basata su landmark è stata arricchita con moduli aggiuntivi, sviluppati per correggere le posizioni dei landmark sulla superficie dell’asteroide e migliorare la stima della posa del satellite. La procedura SPC è stata applicata a immagini simulate relative a diverse fasi della missione, dalle osservazioni a lunga distanza alle operazioni sperimentali di prossimità. Le prestazioni di ricostruzione sono state valutate confrontando i Modelli Digitali del Terreno stimati con un modello di riferimento dell’asteroide. Le nuove funzionalità sono state validate in diversi scenari, dimostrando una significativa riduzione degli errori nella posizione dei landmark e nella posa del satellite, con un conseguente miglioramento dell’accuratezza di ricostruzione della forma. I risultati indicano che l’utilizzo di SPC con le immagini di Milani può fornire informazioni rilevanti per la ricostruzione accurata della forma di Dimorphos, consentendo di raggiungere un’accuratezza dell’ordine del metro fino al decimetro durante le operazioni a corto raggio.