Calibration techniques for the bistatic radar for Leo survey of space debris

In recent years has become clear that the increasing amount of space debris could lead to catastrophic consequences in the near term for space exploration but mostly for severe damages for our planet. Earth’s artificial satellites resemble angry bees around a beehive, seeming to move randomly in all directions. This haphazard motions of the swarm lead to huge relative velocities when objects accidentally collide. Impacts increase the number of objects and, thus, the probability of further collisions, potentially leading to Kessler's syndrome ( a collisional cascade). At relative velocities of tens of thousands of kilometers per hour a collision with a one-centimeter pebble can destroy a spacecraft; even a single one-millimeter grain could wreck a mission. The extraterrestrial refuse comes in many forms: dead spacecraft, discarded rocket bodies, launch- and mission-related castoffs, remnants of satellite breakups, solid-rocket exhaust, frayed surface materials and even droplets from leaking nuclear reactors. In order to address these issues, many countries have created dedicated programmes such as the SSA or the Clean Space programme of the ESA, or they have invested significant funding in longterm research projects. Moreover Mitigation guidelines have been published by various organisations such as the IADC and the UN. In order to limit the density of objects; regulation on launch phase of spacecrafts, on satellite disposal phase, and collisions avoidance plans have been introduced. To manage this problem the first step has to be the identification and the forecasting of the trajectory of the largest number of objects. To this purpose, radiotelescopes and optical systems are the instruments used for identification, observation and monitoring of these RSO. This thesis attempts to provide a small contribute to the study of space debris problem through the proposal of calibration techniques for the simulator of the bistatic radar sensor "BIRALES" (which uses part of the Northern Cross radiotelescope located in Bologna as receiver) which tasks is to provide measurements (like signal to noise ratio, doppler shift and slant range) coming from resident space objects in LEO orbits. The software basically analyses the raw data making a simulation of measurements and passage of the object above the receiver, then it performs a calibration correcting eventual time bias error and finally it gives statistical information on the error and accuracy of the procedure. Once calibrated, BIRALES simulator will be able to resemble with high fidelity the measurements of the sensor giving the chance to estimate the characteristics of new and unknown space debris and so contributing to the European network for SST.

Negli ultimi anni è diventato chiaro che l'aumentare dei detriti spaziali potrebbe portare a catastrofiche conseguenze a breve termine per l'esplorazione spaziale, oltre a danni per il nostro pianeta. I satelliti artificiali della Terra somigliano ad una sciame di api attorno al proprio alveare che sembrano muoversi in maniera casuale. Questo moto casuale dell'intero sciame porta, fuor di metafora, ad enormi velocità relative al momento di una eventuale e sempre più probabile collisione. Un impatto di per sè aumenta il numero di detriti e la probabilità di ulteriori collisioni generando la sindrome di Kessler ossia un processo di collisione " a cascata". A decine di migliaia di chilometri orari, collidere con detriti di un centimetro può distruggere uno spacecraft ed un sassolino di un millimetro può far fallire una missione. I rifiuti extra-terrestri sono di diverso tipo: spacecrafts "defunti", parti di razzi, rimasugli di vari lanci e missioni, residui di satelliti disfatti, razzi solidi esausti, superfici di materiale usurato, perdite di reattori nucleari etc. Per affrontare questi problemi, molti paesi hanno creato appositi programmi come Space Situational Awareness o Clean Space dell'ESA; oppure hanno investito fondi significativi in progetti di ricerca a lungo termine. Inoltre, linee guida di "Mitigazione" sono state pubblicate da diverse organizzaione come la IADC e UN . Per limitare la densità degli oggetti alcune misure sono necessarie: come la regolamentazione nelle fasi di lancio dei satelliti; la fase di dismissione post-missione; piani per evitare la collisione con tali detriti. Per la gestione di questo problema il primo passo deve essere l'identificazione e la stima della traiettoria del più alto numero di oggetti orbitanti. A questo scopo radiotelescopi e sistemi ottici vengono utilizzati per osservare, identificare e monitorare lo stato di tali detriti. Questa tesi cerca di fornire un piccolo contributo allo studio di questo problema attraverso la proposta di alcune tecniche di calibrazione per il sensore radar bistatico "BIRALES" (il quale utilizza come ricevitore parte del radiotelescopio "Croce del Nord" sito a Bologna) che ha come obiettivo quello di fornire delle misure (come rapporto segnale-rumore, doppler shift e range) provenienti da oggetti spaziali nelle orbite LEO. Il software analizza i dati grezzi facendo sin da principio una simulazione di tali misure e del passaggio dell'oggetto sopra il ricevitore; dopodichè procede con la calibrazione delle misure correggendo eventuali bias temporali; infine vi è un'analisi statistica sull'errore e l'accuratezza della tecnica utilizzata. Una volta calibrato, il simulatore BIRALES sarà in grado di riprodurre con una certa fedeltà le misure del sensore dando la possibilità di stimare le caratteristiche di nuovi e sconosciuti detriti spaziali contribuendo così alla rete europea di SST.