Image processing of multiclass satellite tracklets for initial orbit determination based on optical telescopes

Satellites orbiting around the Earth are used for many purposes; they can be of different types, military or civilian, and they are employed in many areas and disciplines including space science, navigation, meteorology, climate research, telecommunication and many others. The interest for space and its possible commercial exploitation has continued to grow and the number of new satellites has increased year after year, in particular in the last decades. The growth in space satellite activities has influenced the number of inactive and debris objects, that it is increasing contextually. These bodies not only represent a pollution problem but they also are a huge risk for active satellites. In fact an in-orbit collision may cause a cascade effect, meaning that each collision creates more debris that in turn can cause further collisions. For these reasons, mitigation strategies have been developed by the international community in order to limit the density of artificial space objects, like the ESA (European Space Agency) Space Situational Awareness (SSA) program, able to provide Europe with timely and precise information on space environment. Inside the SSA program, the Space Surveillance and Tracking (SST) segment is targeted at tracking and maintaining the information on all orbiting objects. To perform these observation tasks, nowadays, radar or optical systems are used: both methods have benefits and disadvantages and have different ideal applications. This thesis fits in the field of SSA and SST. In particular, the main goal is to develop and test techniques to process optical telescope images and to retrieve information about multiclass uncatalogued satellites’ tracklets, in order to perform an initial orbit determination and to predict their future position in space. For this purpose, both simulated and real optical images of space objects of the four main classes (LEO, MEO, GEO and HEO) are used, and different techniques to estimate the orbit are studied and compared; in this way performances and criticalitites are identified and discussed.

I satelliti in orbita attorno alla Terra possono essere di diversi tipi, militari o civili, e sono impiegati in molte aree e discipline tra cui le scienze spaziali, la navigazione, la meteorologia, la ricerca sul clima, le telecomunicazioni e molti altri. L’interesse per lo spazio e il suo possibile sfruttamento commerciale cresce sempre più, così come la quantità di nuovi satelliti operativi, tutto ciò in particolare negli ultimi decenni. La crescita delle attività spaziali ha influenzato il numero di oggetti inattivi e di detriti spaziali, che allo stesso tempo è aumentato. Questi corpi non solo rappresentano un problema dal punto di vista dell’inquinamento ambientale, ma a loro volta rappresentano anche un enorme rischio per gli altri satelliti attivi. Infatti una collisione in orbita può causare un effetto a cascata, con una continua creazione di nuovi detriti spaziali, i quali, a loro volta, possono essere fonti di ulteriori collisioni. Per questi motivi, la comunità internazionale ha deciso di adottare strategie che mitighino l’aumento in termini di densità di tali detriti; tra le più importanti e attive si ha il programma avviato dall’ESA (Agenzia Spaziale Europea) denominato Space Situational Awareness (SSA), in grado di fornire all’Europa informazioni tempestive e precise riguardo l’ambiente spaziale. All’interno del programma SSA, il segmento SST (Space Surveillance and Tracking) mira al rilevamento e alla gestione delle informazioni sui diversi oggetti in orbita. Per adempiere a questi compiti ad oggi vengono utilizzati sistemi radar e ottici: entrambi i sistemi hanno vantaggi e svantaggi, e hanno un proprio campo di applicazione ottimale. Questa tesi si inserisce nel campo dei programmi SSA e SST. In particolare, l’obiettivo principale è quello di sviluppare e testare tecniche di elaborazione di immagini acquisite da telescopi ottici, e recuperare informazioni sulle “tracklet” (scie) di satelliti multiclasse e non catalogati, al fine di effettuare una determinazione preliminare dell’orbita, in modo tale da prevedere la loro futura posizione nello spazio. Per questo scopo sono utilizzate immagini ottiche sia simulate che reali, appartenenti a satelliti dei principali quattro regimi orbitali (LEO, MEO, GEO e HEO) e, in seguito, sono presentate e confrontate diverse tecniche di stima l’orbita; in questo modo saranno discusse le diverse potenzialità e criticità derivanti.