This paper investigates the feasibility of a rendezvous with an uncooperative space object using only optical sensors and takes a closer look at the performance of different algorithms used to estimate an object’s orbit. The ability to perform a rendezvous with an uncooperative target is critical for a wide variety of future missions, such as space debris removal. The main satellite, referred to as chaser, has to determine precisely the orbit of the space object of interest, referred to as target. After some elements of mission analysis, this report dives into the angles-only method of Initial Orbit Determination developed by Gooding, which is a method well suited for space-based observations. It gives access to the osculating orbit at the time of measurements. Then, the estimated orbit is refined using a Batch Least Squares algorithm. The accuracy of the orbit determination depends on the number and precision of the measurements. An optimal strategy for the distribution of the measurements on orbit is to take measurements regularly throughout the whole orbit. The constraints of eclipses and ground stations contacts are taken into account. Finally, the Rendezvous and Proximity Operations are explored in a mission scenario. / Detta examensarbete undersöker möjligheten av ett rendezvous med ett icke-samarbetsvilligt rymdobjekt som endast använder optiska sensorer och tar en närmare titt på prestandan hos olika algoritmer som används för att uppskatta ett objekts omloppsbana. Förmågan att utföra ett möte med ett icke samarbetsvilligt mål är avgörande för en mängd olika framtida uppdrag, till exempel borttagning av rymdskrot. Den viktigaste satelliten, kallad chaser, måste exakt bestämma omloppsbanan för rymdföremål av intresse, kallad target. Efter några element av uppdragsanalys, dyker denna rapport in i den vinkelbaserade metoden för initial omloppsbestämning som utvecklats av Gooding, som är en metod som är väl lämpad för rymdbaserade observationer. Den ger tillgång till den osulerande banan vid tidpunkten för mätningarna. Därefter förfinas den beräknade omloppsbanan med hjälp av minstakvadratmetoden. Noggrannheten i omloppsbestämningen beror på antalet mätningar och deras precision. En optimal strategi för fördelningen av mätningarna i omloppsbana är att göra mätningar regelbundet över hela omloppsbanan. Begränsningarna i förmörkelser och markstationernas kontakter beaktas. Slutligen utforskas mötes- och närhetsoperationer i ett uppdragsscenario.

This thesis presents an autonomous vision-based navigation strategy applicable to the approach phase of a small body mission, developed within the Robotics Section at NASA Jet Propulsion Laboratory. Today, the operations performed to approach small planetary bodies are largely dependent on ground support and human decision-making, which demand operational complexity and restrict the spectrum of achievable activities throughout the mission. In contrast, the autonomous pipeline presented here could be run onboard, without ground intervention. Using optical data only, the pipeline estimates the target body's rotation, pole, shape, and performs identification and tracking of surface landmarks, for terrain relative navigation. An end-to-end simulation is performed to validate the pipeline, starting from input synthetic images and ending with an orbit determination solution. As a case study, the approach phase of the Rosetta mission is reproduced, and it is concluded that navigation performance is in line with the ground-based state-of-the-art. Such results are presented in detail in the paper attached in the appendix, which presents the pipeline architecture and navigation analysis. This thesis manuscript aims to provide additional context to the appended paper, further describing some implementation details used for the approach simulations. / Detta examensarbete presenterar en strategi för ett autonomt visionsbaserat navigationssystem för att närma sig en liten himlakropp. Strategin har utvecklats av robotikavdelningen vid NASA Jet Propulsion Laboratory i USA. Nuvarande system som används för att närma sig en liten himlakropp bygger till största delen på markstationer och mänskligt beslutsfattande, vilka utgör komplexa rutiner och begränsar spektrumet av möjliga aktiviteter under rymduppdraget. I jämförelse, det autonoma system presenterat i denna rapport är utformat för att köras helt från rymdfarkosten och utan krav på kontakt med markstationer. Genom att använda enbart optisk information uppskattar systemet himlakroppens rotation, poler och form samt genomför en identifiering och spårning av landmärken på himlakroppens yta för relativ terrängnavigering. En simulering har genomförts för att validera det autonoma navigationssystemet. Simuleringen utgick ifrån bilder av himlakroppen och avslutades med en lösning på banbestämningsproblemet. Fasen då rymdfarkosten i ESA:s Rosetta-rymduppdrag närmar sig kometen valdes som fallstudie för simuleringen och slutsatsen från denna fallstudie var att systemets autonoma navigationsprestanda var i linje med toppmoderna system. Den detaljerade beskrivningen av det autonoma systemet och resultaten från studien har presenterats i ett konferensbidrag, som ingår som bilaga till rapporten. Inledningen av rapporten syftar till att förtydliga bakgrunden och implementering som komplement till innehållet i bilagan.