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Autonomous Asteroid Characterization Through Nanosatellite Swarming

小行星 计算机科学 航天器 扩展卡尔曼滤波器 航空电子设备 人工智能 实时计算 计算机视觉 航空航天工程 卡尔曼滤波器 工程类 物理 天体生物学
作者
Kaitlin Dennison,Nathan Stacey,Simone D’Amico
出处
期刊:IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:59 (4): 4604-4624 被引量:5
标识
DOI:10.1109/taes.2023.3245997
摘要

This article 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 3-D shape. The ANS SNAC framework consists of three modules: 1) multiagent optical landmark tracking and 3-D 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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