[논문 리뷰] On-Orbit Smart Camera System to Observe Illuminated and Unilluminated Space Objects

Steven Morad, Ravi Teja Nallapu외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 06.

Astro and Planetary Science참고 문헌 14인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 큐브스터드 플랫폼에 표준 제품(COTS) 전자기기를 사용하여, 조명이 비친 및 비조명된 우주 물체를 자율적으로 탐지하고 추적하기 위한 궤도상 스마트 카메라 시스템을 제시한다. 광학적 유동과 항성 지도 상호관계를 활용하여 일시적인 은하가려움을 탐지함으로써, 다중 시점 삼각측량을 통해 비조명된 물체의 궤도 추정이 가능해지며, 저비용이고 자율적인 우주 감시의 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

The wide availability of Commercial Off-The-Shelf (COTS) electronics that can withstand Low Earth Orbit conditions has opened avenue for wide deployment of CubeSats and small-satellites. CubeSats thanks to their low developmental and launch costs offer new opportunities for rapidly demonstrating on-orbit surveillance capabilities. In our earlier work, we proposed development of SWIMSat (Space based Wide-angle Imaging of Meteors) a 3U CubeSat demonstrator that is designed to observe illuminated objects entering the Earth's atmosphere. The spacecraft would operate autonomously using a smart camera with vision algorithms to detect, track and report of objects. Several CubeSats can track an object in a coordinated fashion to pinpoint an object's trajectory. An extension of this smart camera capability is to track unilluminated objects utilizing capabilities we have been developing to track and navigate to Near Earth Objects (NEOs). This extension enables detecting and tracking objects that can't readily be detected by humans. The system maintains a dense star map of the night sky and performs round the clock observations. Standard optical flow algorithms are used to obtain trajectories of all moving objects in the camera field of view. Through a process of elimination, certain stars maybe occluded by a transiting unilluminated object which is then used to first detect and obtain a trajectory of the object. Using multiple cameras observing the event from different points of view, it may be possible then to triangulate the position of the object in space and obtain its orbital trajectory. In this work, the performance of our space object detection algorithm coupled with a spacecraft guidance, navigation, and control system is demonstrated.

연구 동기 및 목표

• 큐브스터드를 위한 표준 제품(COTS) 전자기기 기반의 저비용이고 자율적인 궤도상 감시 시스템을 개발한다.
• 기존의 광학 센서로는 탐지할 수 없는 비조명된 우주 물체의 탐지를 가능하게 한다.
• 시각 알고리즘을 우주선의 항법, 조종 및 제어(GN&C) 시스템과 통합하여 실시간 추적을 가능하게 한다.
• 공유된 관측 자료를 활용해 다중 위성 간 협업을 통해 물체의 궤도를 삼각측량으로 추정한다.
• SWIMSat 임무 개념을 확장하여 항성 은하가려움을 통한 비조명된 물체의 자율 탐지 기능을 포함한다.

제안 방법

• 실시간 시각 알고리즘을 탑재한 광각 스마트 카메라를 사용하여 시야 내의 이동 물체를 탐지한다.
• 궤도 운영 중 기준 자료로 사용하기 위해 야간 천공의 고밀도 사전 정렬 항성 지도를 유지한다.
• 표준 광학적 유동 알고리즘을 적용하여 카메라 시야 내 모든 이동 물체의 궤도를 계산한다.
• 이동 물체에 의해 발생하는 일시적인 항성 은하가려움을 식별하여 비조명된 물체를 탐지한다.
• 다양한 관측 지점에서의 다중 카메라 관측 자료를 활용하여 탐지된 물체의 3차원 위치와 궤도를 삼각측량한다.
• 탐지 및 추적 파이프라인을 우주선의 GN&C 시스템과 통합하여 자율적인 향방 조절 및 추적을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 제품(COTS) 기반의 스마트 카메라 시스템은 항성 은하가려움을 통해 비조명된 우주 물체를 자율적으로 탐지할 수 있는가?
• RQ2 광학적 유동과 항성 지도 상호관계는 저궤도에서 이동하는 우주 물체의 궤도 추정에 얼마나 정확하게 기여하는가?
• RQ3 다중 위성 관측은 물체의 위치 및 궤도 결정 정확도를 어느 정도 향상시키는가?
• RQ4 다이나믹한 조명 조건과 배경 노이즈가 존재하는 실시간 궤도상 환경에서 시각 알고리즘의 성능은 어떠한가?
• RQ5 오직 광학 데이터만을 사용하여 자연적인 이동 물체(예: 유성)와 비조명된 우주 쓰레기 간을 신뢰성 있게 구분할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 일시적인 항성 은하가려움을 통해 비조명된 물체를 성공적으로 탐지하여, 기존 광학 센서로는 탐지할 수 없는 물체의 탐지가 가능함을 입증한다.
• 광학적 유동 알고리즘은 복잡한 항성 배경에서도 실시간으로 다수의 이동 물체를 효과적으로 추적한다.
• 항성 지도 상호관계를 통해 정밀한 기준 프레임 정렬이 가능하며, 이는 은하가려움과 같은 작은 일시적 변화를 탐지하는 데 핵심적이다.
• 다양한 큐브스터드에서의 다중 시점 관측 자료를 통해 3차원 공간 내 물체 위치를 삼각측량할 수 있으며, 궤도 추정 정확도가 향상된다.
• 시각 알고리즘과 GN&C 시스템의 통합을 통해 지상 간섭 없이 자율적이고 실시간 추적 기능이 가능하다.
• 표준 큐브스터드 플랫폼과 COTS 구성 요소를 활용한 저비용이고 확장 가능한 궤도상 감시의 가능성을 입증한다.