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VINAGVision/INS Integrated Navigation

Assisted

Via Provinciale Pianura 2, Zona Industriale San Mar tino int 23 – 80078 Pozzuoli (Naples) ITALY Tel. +39 0815263475 Fax +39 0815262701 - e.mail : i [email protected] - web page : www.tsd-space.it

Assisted by GNSS

DATI RELATIVI AL PROGETTODATI RELATIVI AL PROGETTO

Tematica prescelta : NAVIGAZIONE SATELLITARE – UTILIZZO DELLE INFRASTRU TTURE DI

NAVIGAZIONE EUROPEE EGNOS E GALILEO

Titolo del progetto : Vision/INS Integrated Navigation Assisted by GNSS

ASI, 27 Maggio 2015 ASI, 27 Maggio 2015 VINAG VINAG –– Vision/INS integrated Navigation Vision/INS integrated Navigation

Assisted by GNSSAssisted by GNSS

Acronimo : VINAG

Co-proponenti: � Space Technology srl (ST), � Politecnico di Milano (PoliMI) - Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali

Durata del progetto : 30 mesi

OBIETTIVI DEL PROGETTO OBIETTIVI DEL PROGETTO

� Le diverse tecnologie oggi disponibili per affrontare il problema della

navigazione di un veicolo spaziale presentano ciascuna delle limitazioni

� Obiettivo del progetto è di sviluppare un sistema di navigazione integrata

Vision/INS/GNSS in grado di raccogliere i vantaggi delle diverse tecnologie

compensandone le limitazioni



� In applicazioni spaziali che richiedono elevata autonomia, precisione, robustezza,

flessibilità di utilizzo, adattabilità a diversi scenari, quali navigazione di prossimità

in orbite LEO e MEO, in particolare per missioni di “in orbit servicing”, “debris

removal”, l’integrazione di più sistemi di navigazione risulta senza dubbio più

efficace dell’utilizzo di una singola tecnologia

� I sistemi di navigazione integrata Vision/INS, tipicamente adottati per tali

applicazioni, operano senza il supporto di alcuna informazione assoluta e di

conseguenza forniscono una soluzione di navigazione affetta da inevitabili drift

OBIETTIVI DEL PROGETTO OBIETTIVI DEL PROGETTO

� Sebbene in origine progettati come sistemi di navigazione terrestre ed

aeronautica per uso militare, oggi i Global Navigation Satellite Systems (GNSSs)

come GPS, GLONASS e i futuri BeiDou e Galileo possono essere considerati degli

efficienti sistemi per supportare un considerevole numero di applicazioni

spaziali, grazie alla loro capacità di fornire dati per la determinazione della

posizione, della velocità e del tempo



� In situazioni di scarsa visibilità dei satelliti GNSS, quali le applicazioni spaziali in

orbite basse caratterizzate da very high dynamics, o al di sopra dell'orbita dei

satelliti GNSS con segnali molto deboli, o in presenza di qualsiasi struttura

ostruente, puo’ risultare difficile l’acquisition e tracking di quattro o piu segnali

GNSS e di conseguenza impossibile determinare la posizione via GNSS

� Tuttavia, un numero limitato di satelliti GNSS può essere efficacemente utilizzato

per migliorare le performance di un sistema di navigazione vision based,

integrando i dati di navigazione vision-based con le seppur limitate misure GNSS

ARCHITETTURA ARCHITETTURA H/W DI H/W DI VINAGVINAG

� VINAG è un sistema modulare composto

da:

o VINAG Central Unit

o VINAG Camera System

� L’unità centrale di VINAG include i

seguenti moduli:

o VISNAV & Data Fusion Module

(VDFM)

o Inertial navigation system (INS)

Module

GNSS Receiver Module



o GNSS Receiver Module

o Power Conditioning & Distribution

Module (PCDM)

� Il VDFM è il “core” del sistema VINAG, esso

ha una triplice funzione:

o Image acquistion dal Camera

System

o Image processing per la

navigazione (3D vision, Feature

Extraction& Tracking)

o Data fusion (implementazione

algoritmi per la fusione dei dati di

Vision, INS e GNSS)

PRELIMINARYPRELIMINARY DATA FUSIONDATA FUSION

� Le misure del sottosistema di

visione (cinematica dei feature

points) vengono predette

utilizzando le misure della

piattaforma IMU e quindi fuse

con le stesse (Kalman Filter)

� La soluzione Vision/INS viene fusa



� La soluzione Vision/INS viene fusa

attraverso un altro Kalman Filter

con le misure GNSS

(presudorange e doppler shift )

� Mentre le misure del sistema di

visione e dell’IMU sono affette da

un drift il ricevitore GNSS fornisce

misure assolute non affette da un

errore di una precedente misura

ARCHITETTURA DI VINAGARCHITETTURA DI VINAG

� VINAG utilizzerà il

Camera System e il

modulo di

processing per

l’esecuzione degli

algoritmi di Vision-

based Navigation

che TSD ha

sviluppato con il

Progetto MOSS

(Multi-Ocular Smart



(Multi-Ocular Smart

System) nell’ambito

del primo bando ASI

per PMI del 2010

MOSS Camera System e Unità di Processing per Vision-based Navigation

CONFIGURAZIONE MODULO VDFMCONFIGURAZIONE MODULO VDFM

� Il modulo VDFM è composto dai

seguenti elementi :

o mother board per

l’implementazione delle

funzioni di “unit control &

communication” e di

esecuzione degli algoritmi di

data fusion



o daughter board per

l’esecuzione degli algoritmi di

navigazione

� L’utilizzo del “cross-strapping” e di

FPGA RAM based rende possibile la

realizzazione di un modulo

completamente configurabile e

“fault-tolerant”

CONFIGURAZIONE MODULO VDFMCONFIGURAZIONE MODULO VDFM



Il modulo VISNAV & Data Fusion Module (VDFM) può ricevere segnali simultaneamente da

1 camera multioculare e 2 camere monooculari, oppure da 4 camere monoculari

CONFIGURAZIONE MECCANICA DI CONFIGURAZIONE MECCANICA DI VINAGVINAG



� Dal punto di vista meccanico VINAG sarà basato su di una configurazione

“conduction-cooled” a stack che consente di minimizzare massa e volume ed

offre elevata affidabilità termostrutturale

� Il routing delle linee di potenza e dati saranno implementati attraverso un PCB

flessibile

VALENZA INNOVATIVAVALENZA INNOVATIVA

� Il prodotto proposto si presenta come un sistema di navigazione completo,

proprietario, sviluppato interamente in Italia ed ITAR free, tecnologicamente

avanzato rispetto a tutti quelli disponibili, tipicamente ancora basati sull’utilizzo

di singole tecnologie o comunque non integrate strettamente in un unico

autonomo sistema

� Le diverse tecnologie considerate, Visione, navigazione inerziale e GNSS

presentano caratteristiche complementari; ad esempio i sensori inerziali



presentano caratteristiche complementari; ad esempio i sensori inerziali

rendono possibile una elevata frequenza di aggiornamento della misura,

particolarmente importante nelle fasi di prossimità, ma soffrono dell’errore di

drift, mentre il GNSS offre misure prive di drift ma presenta un limitato rate di

aggiornamento. L’integrazione Vision/INS/GNSS consente di migliorare le

prestazioni ottenibili dai singoli sottosistemi in termini di accuratezza, rate di

aggiornamento e stabilità della prestazione

� Il sistema VINAG dispone di una notevole capacità di processing real time che

gli consente di implementare un ampio spettro di algoritmi, in grado di

soddisfare i requisiti di svariati scenari operativi

SCENARI APPLICATIVISCENARI APPLICATIVI

� Il sistema di navigazione proposto mira a sviluppare e consolidare una tecnologia

per la navigazione, la guida e controllo di sistemi orbitanti a piccole distanze

relative, con attenzione ai seguenti scenari operativi:

� cluster di oggetti orbitanti target (T) – chaser (C): T attivo + C attivo (satellite +satellite)

• On orbit servicing� refuelling\repair

• Formation Flying\Sciami



• Formation Flying\Sciami

• Integrazione in orbita �docking robotico

� Coppia di oggetti orbitanti target (T) – chaser (C): T passivo + C attivo(satellite dismesso\ debris\Asteroide + satellite)

• Hovering attorno a Debris per ispezione e cattura per rimozione da orbita

• Rendez-vous & landing su Asteroidi di piccola taglia

SCENARI APPLICATIVI SCENARI APPLICATIVI -- RequisitiRequisiti

� La scelta e realizzazione del software di navigazione relativa saranno guidate dai

seguenti requisiti funzionali e di performance:

• Ricostruzione completa dell’assetto, della posizione e della velocità relativa

del target rispetto al chaser



• Carico computazionale ridotto per consentire l’elaborazione on board in

tempi compatibili con l’evoluzione della dinamica relativa

• Robustezza alle incertezze\errori di modello\misura e failure tolerant

• Ricostruzione delle proprietà geometriche e inerziali del target, qualora si

tratti di oggetto inattivo o naturale ( asteroide)

FlussoFlusso di di definizionedefinizione e e svilupposviluppo deglidegli algoritmialgoritmi

Identificazione dei requisiti funzionali e di prestazione per il sistema di RelNav

Identificazione dello scenario applicativo significativo



Analisi e selezione dell’agoritmo di image processing

Analisi e selezione dell’algoritmo di filtraggio

Implementazione e test dell’architettura algoritmica selezionata

SPACEBORNE GNSS RECEIVER CORE TECHNOLOGYSPACEBORNE GNSS RECEIVER CORE TECHNOLOGY

Il dimostratore del Ricevitore Spaceborne, che verrà sviluppato da SpaceTechnology (ST) per la messa a punto degli algoritmi per la Navigazione LEO, e’una versione modificata del ricevitore GPS-GAL L1 già sviluppato da ST nell’ ambitodei Contratti ESA EGEP-12 EGNOS Regenerative Paylod e ESA TRP INSPEC.

A tale core verrà aggiunta una nuova unità di Processing con la funzione di FastAcquisition Unit (FAU) necessaria per l’ acquisizione di segnali di Navigazione conelevate dinamiche Doppler, tipiche delle applicazioni LEO.



elevate dinamiche Doppler, tipiche delle applicazioni LEO.

Per quanto riguarda gli algoritmi di Tracking, l’ attuale versione del Ricevitore GNSSdi ST, essendo stata concepita per applicazioni di Frequency e Time Transfer dielevata accuracy in Tracking, e’ basata su un elevato numero di campioni per chip(60 campioni per chip).

L’ accuracy in Tracking della Core Technology a 60 campioni per chip e’ mostratanelle due Slide successive

GNSS RECEIVER CORE TECHNOLOGY ACCURACY (1)GNSS RECEIVER CORE TECHNOLOGY ACCURACY (1)

Il Ricevitore GNSS ST e’ stato validato in termini di accuracy comparando, i suoi log diCode Pseudorange @1Hz per mezzo di un generatore di segnale GAL, FOCcompatibile, progettato per EGNOS V3 Generative P/L, un Canale di Propagazionedigitally transparent (molto accurato) ed un propagatore Orbitale SW in Floating Pointutilizzato come reference assoluto. Nel caso GEO stazionario (Contratto EGEP-12)comparato ad un Orbital Propagator (OP) Floating Point la STDEV dell’ errore @1σ èstata misurata ed è risultata essere pari a 15 ps.



BEST INDEX 82

MIN (ns) -0.178

MAX (ns) 0.179

STD (ns) 0.015

BIAS (ns) -0.026

GNSS RECEIVER CORE TECHNOLOGY ACCURACY (2)GNSS RECEIVER CORE TECHNOLOGY ACCURACY (2)

Lo stesso ricevitore ST con diverse bande dei loop e con Delta PR rate read out a 10Hz(ovvero 10 PR fix per secondo) è stato testato nel contratto ESA EGEP-81 (Inter SatelliteLinks i.e. MEO to MEO PVT) nel seguente high dynamic propagation channelmaximum Signal Delay Range to 224 ms (240 ms – 16 ms) twice as wider than EGNOS GEO PR delay absolute valuemaximum Doppler Rate Range +/-1420 Hz/sec Doppler excursion +/-1.89MHz >> LEO +/-80KHz Doppler dynamicDelay Rate +/-83.7 us/sec which exceed by at least three times the maximum ISL specified MEO to MEO dynamic

Nel caso MEO-MEO (Contratto EGEP-81) comparato ad un OP Floating Point la STDEVdell’ errore @1σ è stata misurata, ed è risultata essere pari a 350 ps.



VINAG GNSS RECEIVER FW DESIGN (1)VINAG GNSS RECEIVER FW DESIGN (1)

Nell’ ambito del contratto VINAG il core receiver FW design sara’ modificato in accordoalla seguente strategia:

- core receiver a 6 campioni perchip per ridurre la complessità efavorire l’ implementazione suFPGA di volo

- Introduzione di un Fast AcquisitionUnit processing front end (FAU



vedi figura a destra) necessariaper ridurre drammaticamente itempi di acquisizione in dinamicaLEO, ed avere una completaautonomia di funzionamentosenza Acquisition Aiding da partedi sensori inerziali e/o PropagatoriOrbitali controllati dal GroundSegment che consentano comeaccade oggi per tutti i GNSS LEORX di ridurre lo spazio di ricerca(codice, frequenza).

VINAG GNSS RECEIVER HWVINAG GNSS RECEIVER HW--FW GROUND VALIDATION & FUTURE LEO FW GROUND VALIDATION & FUTURE LEO PLATFORMSPLATFORMS

Nell’ ambito di questo contratto, oltre a validare il design degli algoritmi attraverso undimostratore HW basato su una Software Define Radio platform di proprieta’ ST (Fig. in bassoa sinistra), si sviluppera l’ EM di un LEO receiver basato su FPGA commerciali con equivalentidi volo ed RF Front Chip set discreto commerciale con equivalenti di volo, testato soltanto alivello elettrico a causa delle limitazioni di budget imposte dalla call.



MODALITA’ DI VERIFICA DEL GNSS LEO RX (1)MODALITA’ DI VERIFICA DEL GNSS LEO RX (1)

Nell’ ambito di questo contratto il dimostratore del LEO receiver sarà testatoutilizzando un HW/SW test bench come quello di sotto riportato dove il NavigationPlayer sara’ pilotato da messaggi reali provenienti da Satellite In Space acquisiti edemodulati SW per mezzo del Navigation Recorder. Il Player e Recorder sono giàstati sviluppati da ST in altri contratti ESA (vedi Slide successiva). Sul segnalerimodulato dopo il Recording, verra’ aggiunto un canale MEO-LEO SWarbitrariamente configurabile che consentirà un agile debugging della FAU e tuningdelle bande dei loop su dinamiche Doppler di tipo LEO per il nuovo real time Trackera 6 campioni per chip.



MODALITA’ DI VERIFICA DEL GNSS LEO RX (2)MODALITA’ DI VERIFICA DEL GNSS LEO RX (2)

ST ha gia’ sviluppato i prodotti di RF Player e Recorder da utilizzarsi per il test dell’unita’ GNSS di VINAG. Tali prodotti sono comprensivi di RF Front end e siinterfacciano direttamente con Antenne di Navigazione COTS consentendo di fare ilplaying e recording dual carrier L1 ed E6 a 6Msps o 60Msps (rate selezionabili daGUI a seconda delle applicazioni) di segnali di Navigazione Pubblici (6Msps) o PRS(60Msps).



INTEGRAZIONE PER VERIFICA NEL BENCH VINAGINTEGRAZIONE PER VERIFICA NEL BENCH VINAG

Il dimostratore del GNSS LEO Receiver singolo canale basato su scheda STS4MDM1.5 (nickname P3U) verra’ integrato nel bench VINAG utilizzato per la verificadi Fusion degli algoritmi di Navigazione.

Un piastrino di adattamento delle interfacce elettriche digitali verrà fornito, comeaccessorio, da ST ai fini di una corretta integrazione elettrica con l’ unità VINAG.

L’ RF Player verra’ utilizzato nel bench VINAG per emulare il segnale di Navigazione



L’ RF Player verra’ utilizzato nel bench VINAG per emulare il segnale di Navigazionericevuto dal Ricevitore LEO con le opportune dinamiche Doppler e PR.

Il prototipo EM di volo, verrà testato elettricamente solo a basso livello

IL TEAM DI PROGETTOIL TEAM DI PROGETTO



MILESTONES & DELIVERABLESMILESTONES & DELIVERABLES

MILESTONE TEMPO Obiettivi della milestones DELIVERABLE S

KOM - Kick off

T0

SRR –System requirementreview

T0 + 3 mesi

Consolidare i requisiti derivanti da un’attenta comprensione degli scenari operativi prefigurati e definire i dati di base per la progettazione

� System RequirementDocument

PDR –Preliminary Design Review

T0 + 9 mesi

Consolidare l’architettura della piattaforma definendo le specifiche tecniche delle parti componenti. Aver selezionato e sviluppato preliminarmente in ambiente Mathlab/simulink gli algoritmi per valutarne l’impatto in termini di risorse HW e SW per la loro implementazione

� Architectural design Report



CDR – Critical Design Review

T0 + 15mesi

Aver completato il progetto di tutti isottosistemi e sviluppato completamente gli algortimiinambiente Mathlab/simulink.

� Design Report� AIT/AIV plan

TRR – Test readinessReview

T0 + 27 mesi

Aver realizzato tutti I sosttosistemicomplete di SW e VHDL, averli testate in modalità stand alone ed averli integrati per poter eseguire la campagna di test e validazione sulla base di adeguate test procedures

� Test procedures� EM VINAG� Test Equipment

FR – FinalReview T0 + 30 mesi Sulla base dei risultati dei test reports effettuare la validazione di VINAG, identificare un coerente Piano di sviluppo per completare una implementazione di volo e riportare ad ASI sui risultati complessivi del programma

� Test & Validation report

SCHEDULESCHEDULE

Progetto: VINAG - Vision/INS integratedNavigation Assisted by GNSS

Pacco di Azienda/Ente/U.tà Anno III1 2

Anno II3 41 2

WP 2102 TSD

CRONOPROGRAMMA

TSD

TSD

WP 1102

2

WP 2101

Space Technology

1Anno I

Poli MI

WP 5103

TSD

WP 1101

WP 1103 TSD

3

Poli MI

WP 5102

WP 5101

WP 3103 Space Technology

Poli MI

4

Space Technology

WP 1104

WP 3101

WP 3102

TSD

Trimestri/Semestri



MILESTONE (1, 2, .. ) (indicare con M1, M2..ecc.)

WP 6102 Poli MI

WP 2103

Poli MI

WP 4101

WP 4103

WP 6101

Space Technology

Space Technology

Space Technology

TSD

M1 SRR

M2 PDR

WP 4102

WP 4104

Space Technology

WP 2104 TSD

M3 CDR

M4 TRR

M5 FP

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