[論文レビュー] On-Orbit Smart Camera System to Observe Illuminated and Unilluminated Space Objects

Steven Morad, Ravi Teja Nallapu+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2018

Astro and Planetary Science参考文献 14被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、COTS電子機器を搭載したカブサットプラットフォーム上での、明るく照らされた物体および照らされていない空間物体の自律的検出・追跡を可能にする、軌道上でのスマートカメラシステムを提示する。光学フローと星図相関を活用して一時的な日食を検出することで、複数視点トリアングレーションにより照らされていない物体の軌道推定が可能となり、低コストで自律的な宇宙監視の実現可能性が示された。

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.

研究の動機と目的

• COTS電子機器を用いた低コストで自律的な軌道上監視システムをカブサット用に開発すること。
• 従来の光学センサでは検出できない、照らされていない空間物体の検出を可能にすること。
• 視覚アルゴリズムを宇宙機の誘導・ナビゲーション・制御（GN&C）システムと統合し、リアルタイムでの追跡を可能にすること。
• 共有観測を活用して複数の衛星による協調を実現し、物体の軌道をトリアングレーションで推定すること。
• SWIMSatミッションの概念を拡張し、恒星食を用いた照らされていない物体の自律的検出を含めること。

提案手法

• リアルタイムの視覚アルゴリズムを備えた広角スマートカメラを用い、視野内に移動する物体を検出する。
• 軌道上運用中に参照用として使用する、夜空の高密度で事前に登録済みの星図を維持する。
• 標準的な光学フローアルゴリズムを適用して、カメラ視野内のすべての移動物体の軌道を計算する。
• 通過する物体によって引き起こされる一時的な星の食を特定することで、照らされていない物体を検出する。
• 異なる視点から得たマルチカメラ観測を用いて、検出された物体の三次元位置および軌道をトリアングレーションする。
• 検出および追跡パイプラインを宇宙機のGN&Cシステムと統合し、自律的な指向と追跡を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 COTSベースのスマートカメラシステムは、恒星食を用いて照らされていない空間物体を自律的に検出可能か？
• RQ2 光学フローと星図相関は、低地球軌道上での移動物体の軌道推定をどの程度正確に可能にするか？
• RQ3 複数衛星の観測は、物体の位置および軌道決定の精度をどの程度向上させるか？
• RQ4 動的な照明条件および背景ノイズが存在するリアルタイムの軌道上環境下で、視覚アルゴリズムの性能はどのようになるか？
• RQ5 光学データのみを用いて、自然に移動する物体（例：流れ星）と照らされていない宇宙ゴミを信頼性高く区別できるか？

主な発見

• 本システムは、一時的な恒星食を介して照らされていない物体を効果的に検出でき、光学センサでは検出できない物体の検出を可能にした。
• 光学フローアルゴリズムは、複雑な星野においても複数の移動物体をリアルタイムで効果的に追跡できた。
• 星図相関により、微小で一時的な変化（例：日食）を検出する上で、正確な参照フレームの整合性が確保された。
• 複数のカブサットからのマルチビュー観測により、物体の三次元空間内での位置をトリアングレーション可能となり、軌道推定の精度が向上した。
• 視覚アルゴリズムとGN&Cの統合により、地上の干渉なしに自律的かつリアルタイムでの追跡が可能になった。
• 本手法は、標準的なカブサットプラットフォームおよびCOTS部品を用いた低コストでスケーラブルな軌道上監視の実現可能性を示した。