Strategies and data processing for the optical observation of space debris

Nowadays, the use of satellites orbiting around the Earth is essential to everyday life: from telecommunications providers to internet browsing, from television broadcasting to navigation; they can be utilized for different tasks, military and civilian, and can be employed in different disciplinary areas, navigation, Earth observation, meteorology, climate research and many others. Progressively intensive exploitation of these potentials and an ever-growing commercial interest have led to an increase in the number of new satellites in recent decades. Unfortunately, hand in hand with this process the number of inactive satellites, and more in general of debris objects, is increased in the same way coming to constitute a serious risk for active missions. Worldwide space agencies, and in particular, the European Space Agency ESA, started to implement a series of regulations and countermeasures to control, reduce and mitigate the space debris problem. Among all the possible countermeasures, to reduce at most risks of collisions between space debris and active satellites, space surveillance is essential. \emph{Space Surveillance and Tracking (SST)} is the ability to detect and predict the movement of space debris in orbit around the Earth, in order to catalogue them and predict with the maximum possible precision their position, alert in case of close passages with in-service satellites and avoid collisions.\\ Inside Airbus Defence and Space GmbH, a powerful and versatile software tool for the detection, cataloguing and orbit prediction analysis of Earth-orbiting objects has been developed, with the name of \textbf{\emph{SPOOK}} (\textbf{SP}ace \textbf{O}bject \textbf{O}bservations and \textbf{K}alman filtering). In the years, SPOOK is evolved from a simple SST analysis tool to a full space debris cataloguing framework, interconnected with different databases. The heart of this complex framework is the inner FORTRAN tool, which is actually able to process simulated or real measurements from optical, radar, on-ground or in-space observers, to update, increase, correct and correlate the space objects information inside the catalogues. This Thesis takes part in a process of development, not only of this internal program but also of the interfaces between it and the users and catalogues. Nevertheless, the main task of the project is building a first interface between this complex framework and the instruments of the space surveillance: the observers or sensors. In particular, a robotic automatic telescope (ART), has been recently acquired by the SPOOK team in Airbus and a connection between it and the SPOOK tool, in terms of observations scheduling has been implemented during this Thesis. The ability to provide the right positioning coordinates of the telescope, in order to observe specific objects is the first step in the development of this interface, and his effectiveness has been proved with real observations campaign during my Master Thesis in the company. The next step, the goal of this project, is to develop an optimal way to perform observations, in order to permit the maximum coverage of the catalogued objects and in the same time respect a load balancing for the instrument. A follow-up strategy to schedule observations is important to reduce at least the uncertainties on the position predictions of space debris, to maintain orbital information updated inside the catalogue. Observation requests that may be given in advance of the observation campaign, can be, as soon as the detection and correlation in real time would be made possible, a dynamic process that updates itself during the observations.

Al giorno d'oggi, l'utilizzo di satelliti in orbita attorno alla Terra è essenziale alla nostra vita quotidiana: dai sistemi di telecomunicazione alla navigazione internet, dalle emittenti televisive ai servizi di geolocalizzazione. I satelliti possono essere utilizzati nei più svariati campi militari e civili e possono essere applicati nelle più diverse aree disciplinari: navigazione, osservazione della terra, meteorologia, ricerche climatiche e altre ancora...\\ Uno sfruttamento sempre più intensivo delle loro potenzialità ed un interesse commerciale sempre più in crescita hanno portato ad un significativo aumento di nuovi satelliti nel corso delle ultime decadi. Sfortunatamente, di pari passo a questo processo è cresciuto il numero di satelliti inattivi, e più in generale di detriti spaziali, iniziando a costituire un serio rischio per le missioni in attività. \\ Agenzie spaziali di tutto il mondo, in particolare l'Agenzia Spaziale Europea (ESA), ha iniziato a mettere in atto una serie di regolamentazioni e contromisure per controllare, ridurre e mitigare il problema dei detriti spaziali. Fra tutte le possibili contromisure, per ridurre al minimo il rischio di collisioni fra detriti spaziali e satelliti attivi, è essenziale un'efficace sorveglianza spaziale.\\ L'ambito della sorveglianza dello spazio e del puntamento dei detriti è riconosciuto con l'acronimo SST, dall'inglese Space Surveillance and Tracking, ed è l'abilità di rilevare e di predire il movimento dei detriti spaziali in orbita attorno alla Terra, allo scopo di catalogarli e di prevedere con la massima accuratezza possibile la loro posizione, di avvisare per tempo in caso di passaggi ravvicinati a satelliti attivi e di evitare collisioni.\\ All'interno di Airbus Defence and Space GmbH, è stato sviluppato un potente e versatile strumento di rilevamento, di catalogazione e di previsione di orbite di oggetti orbitanti attorno alla Terra. Il nome di questo strumento è SPOOK (SPace Object Observation and Kalman filtering). Negli anni, SPOOK si è evoluto da semplice strumento di analisi per SST ad una completa struttura per la catalogazione di detriti spaziali, interconnesso con differenti cataloghi. \\ Il cuore di questo sistema complesso è il suo programma interno scritto in FORTRAN, che ha il compito di processare misurazioni reali o simulate da osservatori ottici o radar, in orbita o sulla superficie terrestre con l'obbiettivo di aggiornare, aggiungere, correggere e correlare le informazioni riguardo oggetti spaziali all'interno di vari cataloghi.\\ Questa tesi prende parte ad un processo di sviluppo di questo programma, non solo della sua parte più interna ma anche dei collegamenti e interfacce che vi sono fra questo sistema complesso e gli strumenti dell'osservazione spaziale: gli osservatori o sensori. \\ In particolare, un telescopio robotico (ART), è stato recentemente acquistato da Airbus e durante questa tesi è stata sviluppata una connessione fra questo e il programma SPOOK, in termini di pianificazione delle osservazioni. La possibilità di fornire le giuste coordinate di posizionamento al telescopio, per essere in grado di osservare specifici oggetti è stato il primo passo nello sviluppo di questa interfaccia la cui efficacia è stata avvalorata con reali campagne di osservazione durante la mia attività in azienda.\\ Il passo successivo, che costituisce l'obbiettivo primo di questo progetto, è stato lo sviluppo di un metodo che ottimizzasse il modo con il quale effettuare osservazioni, che fosse in grado di permettere una copertura massima degli oggetti visibili e allo stesso tempo rispettasse i vincoli dello strumento. Pianificare le osservazioni tentando di osservare più volte uno stesso oggetto è molto importante per ridurre al minimo le incertezze che abbiamo sulle sue previsioni di posizione e per mantenere aggiornate all'interno dei cataloghi le informazioni riguardo i parametri orbitali.\\ Un passo futuro a questo lavoro, non appena il rilevamento di oggetti e la loro correlazione nei cataloghi potrà essere effettuata in tempo reale, sarà quello di aggiornare in maniera automatica le richieste di osservazione che per ora vengono fornite in anticipo alla campagna di osservazione.