Autonomous Asteroid Characterization Through Nanosatellite Swarming

要約

この論文では、最初に、同時ナビゲーションおよびキャラクタライゼーション (SNAC) と呼ばれる推定問題のクラスを定義します。これは、同時ローカリゼーションおよびマッピング (SLAM) のスーパーセットです。
その後、小惑星重力場、回転運動、および 3D 形状を含む小惑星を自律的にナビゲートし、特徴付ける自律型ナノサテライト スウォーミング (ANS) ミッション コンセプト用に SNAC フレームワークが開発されます。
ANS SNAC フレームワークは、3 つのモジュールで構成されています: 1) マルチエージェント光学ランドマーク追跡とステレオビジョンを使用した 3D ポイント再構成、2) 計算効率が高く堅牢なアンセンテッド カルマン フィルターによる状態推定、3) 小惑星球面調和形状モデルの再構成
天体の形状特性に関するアプリオリな知識を活用します。
小惑星への大きな関心にもかかわらず、現在の小惑星ランデブー ミッションの概念にはいくつかの制限があります。
まず、完了したミッションは、人間の監視と地球ベースのリソースに大きく依存しています。
第二に、自律性を高めるために提案されたソリューションは、状態の知識と情報処理に関する仮定を単純化しすぎています。
第 3 に、小惑星ミッションのコンセプトでは、環境測定用にサイズ、重量、出力、コストが大きい (SWaP-C) アビオニクスが選択されることがよくあります。
最後に、そのようなミッションはしばしば単一の宇宙船を利用し、分散型宇宙システムの利点を無視しています。
対照的に、ANS は、低 SWaP-C アビオニクスを搭載した複数の自律型ナノサテライトで構成されています。
ANS SNAC フレームワークは、小惑星 433 Eros を周回する 3 つの宇宙船の数値シミュレーションによって検証されます。
シミュレーション結果は、提案されたアーキテクチャが、先験的な形状モデルを使用せず、低 SWaP-C アビオニクスのみを使用して、安全な方法で自律的で正確な SNAC を提供することを示しています。

要約(オリジナル)

This paper first defines a class of estimation problem called simultaneous navigation and characterization (SNAC), which is a superset of simultaneous localization and mapping (SLAM). A SNAC framework is then developed for the Autonomous Nanosatellite Swarming (ANS) mission concept to autonomously navigate about and characterize an asteroid including the asteroid gravity field, rotational motion, and 3D shape. The ANS SNAC framework consists of three modules: 1) multi-agent optical landmark tracking and 3D point reconstruction using stereovision, 2) state estimation through a computationally efficient and robust unscented Kalman filter, and 3) reconstruction of an asteroid spherical harmonic shape model by leveraging a priori knowledge of the shape properties of celestial bodies. Despite significant interest in asteroids, there are several limitations to current asteroid rendezvous mission concepts. First, completed missions heavily rely on human oversight and Earth-based resources. Second, proposed solutions to increase autonomy make oversimplifying assumptions about state knowledge and information processing. Third, asteroid mission concepts often opt for high size, weight, power, and cost (SWaP-C) avionics for environmental measurements. Finally, such missions often utilize a single spacecraft, neglecting the benefits of distributed space systems. In contrast, ANS is composed of multiple autonomous nanosatellites equipped with low SWaP-C avionics. The ANS SNAC framework is validated through a numerical simulation of three spacecraft orbiting asteroid 433 Eros. The simulation results demonstrate that the proposed architecture provides autonomous and accurate SNAC in a safe manner without an a priori shape model and using only low SWaP-C avionics.

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