Optimal triangulation based optical celestial navigation for deep-space missions
Derin uzay görevleri için optimal üçgenleme tabanlı optik göksel seyrüsefer
- Tez No: 1001265
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HALİL ERSİN SÖKEN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Astronomi ve Uzay Bilimleri, Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Astronomy and Space Sciences, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Cramer rao sınırları, Navigasyon, Nirengi, Optik arama, Optimizasyon, Cramer rao frontiers, Navigation, Triangulation, Optical sensing, Optimization
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Uzay araçları Güneş sisteminde daha derinlere ilerledikçe, iletişim gecikmelerinin gerçek zamanlı yer tabanlı kontrolü uygulanamaz kıldığı derin uzay görevleri için otonom seyrüsefer giderek daha kritik hale gelmiştir. Gök cisimlerine doğru görüş hattı ölçümlerini kullanan üçgenleme tabanlı görüntü destekli seyrüsefer sistemleri, araç üzeri konum kestirimi için umut verici çözümler sunmaktadır. Mevcut yaklaşımlar belirli zorluklarla karşılaşmaktadır: üçgenleme doğruluğu ve dolayısıyla konum kestirim güvenilirliği, yörünge boyunca uzay aracı ve gözlemlenen cisimler arasındaki geometrik konfigürasyona bağlı olarak ciddi ölçüde değişmektedir; işaretçi kullanımı ile hesaplama verimliliği arasındaki denge yetersiz şekilde incelenmiştir. Bu araştırma, söz konusu kısıtlamaları Cramér-Rao Alt Sınırı'na (CRAS) dayalı bir çerçeveyle ele almaktadır. Herhangi bir gözlem sayısı ve konfigürasyonu için teorik olarak ulaşılabilir en düşük kestirim hata varyansını nicelleştirmek üzere geometrik bir performans metriği geliştirilmiş, böylece üçgenleme kalitesinin sistematik değerlendirilebilmesi sağlanmıştır. Doğrusal Optimal Sinüs Üçgenlemesi (DOSÜ) çerçevesinde, önerilen İyileştirilmiş-DOSÜ algoritması, işaretçi çiftlerini optimize etmek için bu metriği kullanmakta ve özellikle geometrik açıdan zorlu yörünge kesimlerinde önemli doğruluk iyileştirmeleri sağlamaktadır. Ayrıca Kalman Filtreleri için, dinamik geometrik koşullar altında ölçüm güvenilirliğini karakterize etmek amacıyla, doğrudan bu CRAS tabanlı metriği kullanan uyarlamalı bir ölçüm kovaryans ayarlama metodolojisi sunulmuştur. Ek olarak, yeterli sayıda işaretçiyi sistematik olarak belirlemek için eşik tabanlı bir işaretçi seçim metodolojisi oluşturulmuş, dikkatle seçilmiş alt kümelerin, önemli hesaplama yükünden kaçınırken maksimum teorik doğruluğa yaklaşabileceği gösterilmiştir. Hesaplama verimliliği analizleri, optimal işaretçi konfigürasyonlarının gerçek zamanlı araç üzeri işlemlerden ziyade, en etkili şekilde görev planlama aşamasında belirlenebildiğini ortaya koymaktadır. Geliştirilen çerçeveler, kaynak kısıtlı derin uzay ortamlarında otonom seyrüsefer performansını artırmak için görev tasarımcılarına sistematik araçlar sağlamakta; sensör kullanımı, filtre ayarlama ve geometrik gözlemlenebilirliği hesaba katan yörünge tasarımı hususlarında bilinçli kararlar alınmasına olanak tanımaktadır.
Özet (Çeviri)
Autonomous navigation for deep-space missions has become increasingly critical as spacecraft venture further into the solar system, where communication delays render real-time ground-based control impractical. Triangulation-based vision-aided navigation systems employing line-of-sight measurements to celestial bodies offer promising solutions for onboard position estimation. Existing approaches face particular challenges: triangulation accuracy, and thus position estimation reliability, varies dramatically with the geometric configuration between the spacecraft and observed bodies throughout the trajectory; the trade-off between beacon utilization and computational efficiency remains poorly characterized. This research addresses these limitations through a framework based on the Cramér-Rao Lower Bound (CRLB). A geometric performance metric is developed to quantify the theoretical minimum achievable estimation error variance for any observation count and configuration, enabling systematic evaluation of triangulation quality. Within the Linear Optimal Sine Triangulation (LOST) framework, the proposed Improved-LOST algorithm employs this metric to optimize beacon pairs, demonstrating substantial accuracy improvements, particularly during geometrically challenging trajectory segments. An adaptive measurement covariance adjustment methodology is introduced for Kalman Filters, utilizing the CRLB-based metric to characterize measurement reliability under dynamic geometric conditions. Additionally, a threshold-based beacon selection methodology is established to systematically determine a sufficient number of beacons, demonstrating that carefully selected subsets can approach maximum theoretical accuracy while avoiding substantial computational burden. Computational efficiency analyses reveal that optimal beacon configurations are most effectively determined during mission planning rather than through real-time onboard processing. The developed frameworks provide mission designers with systematic tools for enhancing autonomous navigation performance in resource-constrained deep-space environments, enabling informed decisions regarding sensor utilization, filter tuning, and trajectory design accounting for geometric observability.
Benzer Tezler
- Design of mobility, manipulation and vision system of a conceptual lunar micro-rover
Gezici mikro ay robotunun hareketlilik, manipülasyon ve görüntü işleme sistemleri tasarımı
NECMİ CİHAN ÖRGER
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
ÖĞR. GÖR. TURGUT BERAT KARYOT
- Yenilenebilir enerji kaynaklarını içeren optimal güç akışı için uygunluk mesafe dengesi tabanlı üçgenleme topolojisi toplama iyileştiricisi
Fitness distance balance based triangulation topology aggregation optimizer for optimal power flow including renewable energy sources
ALİ YAZICI
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiDüzce ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. UĞUR GÜVENÇ
- A volumetric fusion technique for surface reconstruction from silhouettes and optical triangulation
Silüet ve optik üçgenleştirme ile yüzey geriçatımı için hacimsel bir tümleştirme tekniği
CAN JAMES WETHERİLT
Yüksek Lisans
İngilizce
2005
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolKoç ÜniversitesiElektrik ve Bilgisayar Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. YÜCEL YEMEZ
- A surface deformation framework for 3d shape recovery
3b şekil yakalama için yüzey deformasyonu çatısı
YUSUF SAHİLLİOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2006
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolKoç ÜniversitesiElektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. YÜCEL YEMEZ
- Gezgin robotlarda eş anli haritalama ve konum belirleme
Concurrent mapping and localization in mobile robots
ORKUN ALP
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBaşkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
YRD. DOÇ. DR. HAMİT ERDEM