An integrated navigation scheme for autonomous spacecraft operation during the final approach phase of a Mars entry, descent, and landing (EDL) mission is considered. Optical camera-based observations of natural celestial bodies are aided by X-ray pulsar signal time of arrival (TOA) measurements to provide accurate three-dimensional position and velocity solutions. Once the proposed navigation system is initialized, it operates with no need for assistance from man-made assets on the ground or in orbit, providing complete autonomy. As a reference for the research community, a catalog of 41 X-ray pulsars that are deemed most promising for navigation purposes is presented. The list builds on top of the work of previous researchers and contains the expected range measurement error margins from each source together with the relevant parameters used to compute these error margins. This catalog is utilized in an optimization-based technique for selecting the best $j$ pulsars for navigation from among a candidate list of $k$ pulsars wherein, geometry and measurement accuracy are jointly considered. Afterward, measurements from the optical sensors and data from the chosen pulsars are fused in a distributionally robust nonlinear optimization-based filtering framework. The proposed robust navigation filter provides significant resilience under severe measurement outliers which cause non-Gaussian noise behavior that subsequently results in the degradation of navigation performance. The results of the pulsar selection algorithm as well as the robust sensor fusion scheme are illustrated on a simulated final approach trajectory of the Mars Science Laboratory (MSL). The pulsar selection algorithm is further deployed on an embedded platform to demonstrate potential onboard implementation. A new robust approach to image processing for planet/moon centroid and apparent diameter extraction is also provided with actual mission images used to validate the concept. Although this research takes Mars landing as a case study, the methods developed herewith can be used for other interplanetary missions, asteroid landings, and as an aid to spacecraft rendezvous and docking applications.
본 논문에서는 화성 진입, 하강 및 착륙(EDL) 임무 중 최종 접근 단계에서의 자율 우주선 운항을 위한 통합 항법 방안을 제안한다. 광학 카메라 기반의 천체 관측과 엑스선 펄서 신호의 도달 시간 측정을 통해 우주선의 정확한 3차원 위치와 속도 결과를 제공한다. 또한, 제안된 항법 시스템을 사용한다면 지상이나 궤도로부터의 인공적인 도움 없이 완전한 자율성을 확보한다. 참고 자료에 따르면, 41개의 엑스선 펄서 목록이 항법 목적으로 유망한 것으로 간주된다. 목록은 이전 연구자의 연구를 기반으로 만들어졌으며 각각에 대한 예상 측정오차 마진과 관련 매개변수를 포함한다. 목록에서는 지형과 측정 정확도를 고려한 최적화 기법을 통해 후보 펄서 중 항법을 위한 최선의 펄서를 찾아낸다. 이후, 광학 센서의 측정값과 선택된 펄서의 데이터를 결합하여 분산적으로 강건한 비선형 최적화 기반 필터를 구성한다. 이렇게 구성된 강건한 항법 필터는 가우시안이 아닌 노이즈를 동반하는 심각한 측정 이상에 대해 강력한 복원력을 제공한다. 본 논문에서는 펄서를 선택하는 알고리즘과 강건한 센서 융합 과정을 화성 과학 실험실(MSL)의 화성 최종 접근 경로에 적용하였다. 또한, 제안된 강건한 필터링 기술을 화성 EDL임무의 다른 단계로 확장하여 수행하였다. 행성/달 중심 및 겉보기 직경 추출 이미지 처리에 대한 새로운 강건한 접근 방식도 미션 이미지와 함께 제공하였다. 본 연구에서는 화성 착륙만을 고려하였지만 행성간 임무, 소행성 착륙, 우주선의 랑데부 및 도킹에도 사용할 수 있을 것으로 기대된다.
