Autonome monokulare optische Identifikation von Mondkratern aus unbekannter Kameraposition- und Lage

Abstract

Im Rahmen von zukünftigen vollautonomen robotischen Raumfahrtmissionen ist die Navigationsfähigkeit im Bezug auf den Zielhimmelskörper eine unverzichtbare Fähigkeit. Bis dato existiert insbesondere die Fähigkeit nur sehr eingeschränkt, durch kostengünstige und robuste optische Sensoren wie Kameras Positions- und Lagemessungen durchzuführen, die das Raumfahrzeug absolut verorten können im Koordinatensystem des Himmelskörpers. In der vorliegenden Arbeit wird diese Thematik am Beispiel Mond untersucht. Sie hat die Entwicklung von Methoden zum Gegenstand, die die Bestimmung der Position und Lage der Kamera algorithmisch und ohne äußeren Eingriff aus einem Einzelbild der Mondoberfläche erlauben. Ein solches System befähigt ein robotische Raumfahrzeug schließlich dazu, ohne a-priori-Wissen über Position, Lage oder Zeit anhand eines statischen Kataloges von bekannten Mondkratern eine initiale kombinierte Positions- und Lageschätzung zu erzeugen. Zu diesem Zweck wird ein bildverarbeitendes Verfahren vorgestellt, das ohne weitere Eingaben in einem Bild der Mondoberfläche Einschlagskrater detektieren kann und daraus ihre jeweiligen räumlichen (dreidimensionalen) Eigenschaften in Relation zur aufnehmenden Kamera ableitet. Aus diesen Eigenschaften der noch isolierten Messpunkte im Bild wird anhand eines dafür entwickelten iterativen Interpolationsalgorithmus eine dichte Repräsentation der gesamten beobachteten Mondoberfläche generiert. Diese Oberflächenapproximation erlaubt die Auflösung der bis dahin unbekannten relativen räumlichen Entfernungen der beobachteten Krater untereinander, was eine Korrespondenzbildung zu einem mitgeführten Katalog von Kratern mittels Vergleiches von Konstellationen mehrerer Krater ermöglicht. Als messendes System wird das entwickelte Verfahren sowohl abschnittsweise bezüglich der Fehlerfortpflanzung in der Verarbeitungskette untersucht, als auch im Rahmen einer Ende-zu-Ende-Testkampagne. Dabei wird einerseits die Leistungsfähigkeit und Sensitivität der Methoden in Abhängigkeit von äußeren Parametern wie Beleuchtungsbedingungen und Blickrichtung auf die Mondoberfläche bewertet, als auch die raumfahrtmissionsplanerischen Aspekte behandelt, im Rahmen einer Identifizierung der Abhängigkeit der Erfolgswahrscheinlichkeit von Parametern wie der Vollständigkeit des bekannten Kraterkataloges. In den durchgeführten Tests werden über synthetisch generierte Eingangsdaten Hypothesen zum Fehlerverhalten generiert, die anhand von Labortests im Labor TRON des Instituts für Raumfahrtsysteme des DLR in Bremen verifziert werden.