- Titel
- State Estimation and Mapping for Exploration on Asteroid Surfaces
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-938411
- Übersetzter Titel (DE)
- Zustandschätzung und Kartenerstellung für Exploration auf Asteroid Oberflächen
- Erstveröffentlichung
- 2024
- Datum der Einreichung
- 14.12.2023
- Datum der Verteidigung
- 17.05.2024
- Abstract (DE)
- Die in-situ-Exploration auf Asteroidenoberfläche mit Hilfe eines Multicopterähnlichen Raumfahrzeugs ermöglicht vielfältige wissenschaftliche Beobachtungen und Untersuchungen vor Ort. Das Manöver im Schwebeflug erfordern eine autonome und genaue Navigation für die Zustandsbestimmung des Raumfahrzeugs und die Kartierung des Geländes. Das Guidance-Navigation-Control-System (GNC), das bei einer solchen Mission zum Einsatz kommt, ist mit besonderen technischen und umweltbedingten Herausforderungen auf der Asteroidenoberfläche konfrontiert. In dieser Dissertation wird eine Navigationsarchitektur mit einer minimalen Sensorausstattung auf der Basis eines Flash-LiDAR-gestützten inertialen Navigationssystem für die Exploration der Asteroidenoberfläche vorgeschlagen. Unter einer Vielzahl verschiedener Alternativen für die Navigationsunterfunktionen Zustandsschätzer, Punktwolke-Registrierung und die Geländekartierung wurden drei Navigationsvarianten im Detail untersucht und gegeneinander abgewogen. 1. Error state Kalman filter (ESKF)-based global relative navigation with iterative closest point (ICP) and extended digital elevation mapping (eDEM), 2. ESKF-based local relative navigation with scan-to-map matching (S2M)/ICP and surfel grid mapping (SGM), 3. Optimization-based local relative navigation with ICP and SGM. In einer realitätsnahen Simulationsumgebung für die Asteroidenoberfläche werden die drei Navigationsvarianten in mehreren Testszenarien getestet, verglichen und bewertet. Darüber hinaus werden verschiedene Einflussfaktoren (Rauhigkeit der Oberflächen, Flughöhe, Neigung des Flash-LiDARs und Field of view des Flash-LiDARs) untersucht, die sich auf die Navigationsperformance auswirken. Zur Ergänzung des Navigationssystems werden in dieser Dissertation auch ein Pfadplanungsalgorithmus, der das SGM verwendet, sowie eine Methode zur Extraktion und Beschreibung der Punktwolke von Steinen vorgeschlagen und validiert. Diese Dissertation liefert letztlich Erkenntnisse über die Eigenschaften der verschiedenen Navigationslösungen und über die Auswirkungen wichtiger Einflussfaktoren auf die Navigationsperformance. Basierend auf den Erkenntnissen wird eine Schlüsselfrage des Navigationsdesigns im Rahmen dieser Dissertation beantwortet: Welche Navigationskonfiguration mit welchen Eigenschaften ist für eine spezielle Mission geeignet?
- Abstract (EN)
- In-situ exploration on asteroid terrain surfaces with help of a multicopter-like spacecraft permits versatile on-site scientific observation and investigation. Relocation manoeuvres in hovering mode require autonomous and accurate navigation for spacecraft state estimation and terrain mapping. The Guidance-Navigation-Control (GNC) system in place in such a mission is confronted with specific technical and environmental challenges on the asteroid surfaces. In this dissertation, a navigation architecture with a minimum sensor setup based on a flash LiDAR-aided inertial navigation system is proposed for exploration of the asteroid terrain surfaces. Among a variety of different alternatives for the main navigation sub-functions: state estimator, point cloud-based registration and terrain mapping, three navigation variants have been investigated in detail and traded against each other. 1. Error state Kalman filter (ESKF)-based global relative navigation with iterative closest point (ICP) and extended digital elevation mapping (eDEM), 2. ESKF-based local relative navigation with scan-to-map matching (S2M)/ICP and surfel grid mapping (SGM), 3. Optimization-based local relative navigation with ICP and SGM. In a high-fidelity simulation environment for the asteroid terrain surface, the three navigation variants are tested, compared and evaluated in several test scenarios. Furthermore, factors (surface roughness, flight height, flash LiDAR inclination and flash LiDAR field of view) that affect the navigation performances are studied. To complement the navigation system, a path planning algorithm using the SGM, a rock point cloud extraction and description method are proposed and validated in this dissertation as well. This dissertation delivers ultimately insights of properties of the different navigation solutions and lessons-learned of impacts of the factors on the navigation performances. Based on the insights and lessons-learned, a key question in navigation design in context of this dissertation is answered: Which navigation configuration with which characteristics is suitable for a certain specific mission?
- Freie Schlagwörter (EN)
- Asteroid, Navigation, Localization, Mapping, Point Clouds
- Klassifikation (DDC)
- 621
- Klassifikation (RVK)
- ZO 8300
- GutachterIn
- Prof. Dr. Klaus Janschek
- Prof. Stephen M. Rock
- BetreuerIn Hochschule / Universität
- Prof. Dr. Klaus Janschek
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Technische Universität Dresden, Dresden
- Förder- / Projektangaben
- Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Astrone - Increasing the Mobility of Small Body Probes
ID: 50RA1841 - Version / Begutachtungsstatus
- publizierte Version / Verlagsversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-938411
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 07.11.2024
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Englisch
- Lizenz / Rechtehinweis
CC BY 4.0- Inhaltsverzeichnis
Abstract Kurzfassung 1. Introduction 2. State-of-the-Art and Contribution 3. Basics 4. State Estimation 5. Point Cloud-based Registration 6. Terrain Mapping 7. Local Point Cloud Descriptor 8. Performance Evaluation 9. Conclusion and Outlook Appendix