This thesis develops a monocular pose estimation framework for the relative navigation of known but uncooperative spacecraft. The objective of relative navigation is to estimate a relative pose that refers to relative position and attitude. This thesis consists of two parts; pose initialization, which estimates the initial pose without pose information in advance, and pose tracking, which generates the relative pose solution based on the initial pose. The first part of the thesis proposes a novel pose initialization algorithm that exploits convexity defects as visual cues. This algorithm selects the neighboring points of the convexity defect in the image and narrows down the matching candidate on the 3D model to find 3D-2D point correspondences. Then, relative poses are calculated from candidate correspondences, and the pose that can produce the most similar image to the given image is determined as the final pose. The final pose is re-examined in the last step of pose initialization to verify if the pose is reliable enough to finish the initialization process. The proposed algorithm is applied to the target spacecraft with a single solar panel on one side for evaluating the estimation accuracy and initialization performance. The second part of the thesis develops Multiplicative Extended Kalman Filter for pose tracking based on monocular images. The loosely-coupled and tightly-coupled approaches are implemented with the synthetic images, showing that the tightly-coupled approach has better pose estimation accuracy. In addition, this thesis proposes a measurement covariance estimation method that reflects the measured relative pose's quality. The modified covariance is applied to the loosely-coupled pose tracking filter, and the simulation demonstrates that the designed covariance estimation method improves the pose estimation accuracy.
본 논문에서는 비협조적인 위성에 대해 단안 비전을 사용하는 상대항법을 연구한다. 상대항법의 목적은 상대 포즈라 불리는 상대 위치와 상대 자세를 추정하는 것이다. 본 연구는 상대 포즈 추정 단계에 따라 초기 정보 없이 상대 포즈를 예측하는 상대 포즈 초기화 연구와 초기 포즈를 바탕으로 상대 포즈 해를 생성하는 상대 포즈 트래킹 연구로 구분된다. 첫 단계인 상대 포즈 초기화 연구에서는 영상에서 특징점을 검출한 후 삼차원 형상 위 점과 특징점 대응을 위해 볼록 결함을 이용하는 알고리즘을 제안한다. 이 알고리즘은 전개된 태양전지판이 한쪽에만 부착된 위성 모델에 적용되어 카메라의 상대 자세에 따른 오차 분석에 사용된다. 두 번째 단계인 상대 포즈 트래킹 연구에서는 단안 영상 측정값의 형태에 따라 약결합과 강결합 방식의 확장 칼만 필터를 구성하고 추정 성능을 비교한다. 또한 단안 영상 측정값의 오차 공분산이 일정하지 않음을 고려하여 공분산 예측 방법을 제안하고 이를 항법 필터에 반영한다.
