Orbit determination of resident space objects using radar sensors in multibeam configuration

During about 60 years of space activities, more than 5450 launches have turned into around 42000 tracked objects orbiting the Earth, of which about 23000 remain in space and are regularly tracked by the US Space Surveillance Network and maintained in their catalogue. The presence of satellites and upper stages is a source of new objects itself. Since 1961, more than 500 in-orbit fragmentation events have been recorded. Among them, only a few were collisions: the vast majority of the events were explosions of orbiting satellites and rocket upper stages. These fragmentation events are assumed to have generated a population of so-called space debris or orbital debris with estimated numbers of around 34000 objects larger than 10 cm, 900000 objects from 1 cm to 10 cm, and 128 million objects from 1 mm to 1 cm, and velocities of some kilometres per second. The presence of space debris unavoidably jeopardizes the operative mission of active satellites. As a result, specific space programmes were started to build the expertise required to manage the challenges posed by the space traffic control problem. All these programmes rely on the accurate estimation and prediction of the state of the orbiting objects, which are derived from tracking actions by dedicated optical, radar and laser sensors. This thesis investigates the role of the novel Italian multibeam BIstatic RAdar for LEo Survey (BIRALES) within the European framework. The sensor couples a single beam pulse compression radar and a multibeam continuous wave receiving system that provide, for all the objects that transit in the sensor field of view, two sets of measurements, i.e. slant range measurements (single beam system) coupled with Doppler shift measurements and multiple signal-to-noise ratio profiles, one for each beam illuminated by the transit of the objects. This set of measurements offers in principle the possibility of estimating the track of the transiting object, thus enabling initial orbit determination with just a single object transit. This operation is hindered by the complicated gain pattern of the multibeam receiver, characterised by the simultaneous presence of a main lobe and multiple grating lobes per beam, which introduce an ambiguity in the track reconstruction phase. The first part of the thesis is dedicated to the development of a specific initial orbit determination algorithm tailored to the specific gain pattern configuration of the multibeam system. The so-called Multibeam Orbit Determination Algorithm exploits the presence of multiple gain lobes per beam to obtain an accurate estimate of the track of the transiting object in the receiver field of view. This estimate is then coupled with the available Doppler shift and slant range measurements to obtain an estimate of the orbital parameters of the detected object at the epoch of the first available measurement. A detailed analysis of the algorithm is offered, along with the identification of critical cases affecting its performance. Once developed the algorithm, the space surveillance performance of BIRALES is assessed with dedicated numerical simulations. Starting from a detailed discussion on the available design parameters, a complete analysis on the observation capabilities of the sensor while observing two different orbiting populations (NORAD and MASTER LEO population) is offered. Then, an assessment of the performance of the proposed multibeam initial orbit determination algorithm is presented. Both track reconstruction algorithm and initial orbit determination results are analysed, and a sensitivity analysis on the most important parameters affecting their accuracy is presented. The analysis of the performance of the sensor is then extended to its cataloguing performance. Three difference scenarios of increasing complexity are investigated: catalogue maintenance, i.e. how well the sensor can maintain an existing catalogue of objects; catalogue generation, i.e. how many objects can be catalogued by the sensor starting from a totally unknown population; the general cataloguing problem, i.e. how many objects can be catalogued by the sensor and how well the catalogue can be maintained starting from an orbiting population only partially known. For all the investigated scenarios, the core of the problem is the identification of a suitable correlation method for track-object and track-track association. An algorithm to perform cataloguing operations is proposed and applied, and the performance of the sensor is assessed in terms of both correlation capabilities and achievable catalogue size and accuracy. The final part of the thesis is dedicated to the analysis of data obtained during real observation campaigns. A comparison between theoretical and current accuracy levels is presented, and an analysis of possible sources of inaccuracy is offered. Starting from the achieved results, possible upgrade configurations for the sensor are finally discussed.

Nel corso di 60 anni di attività spaziale, più di 5450 lanci hanno portato a circa 42000 oggetti monitorati in orbita attorno alla Terra, di cui circa 23000 stabilmente in orbita e monitorati regolarmente dal Sistema di Sorveglianza Spaziale degli Stati Uniti, una rete di sensori in grado di osservarli più volte al giorno e mantenerli in un catalogo. La presenza di satelliti e stadi superiori di lanciatori in orbita attorno alla Terra risulta a sua volta fonte di nuovi oggetti. A partire dal 1961 si sono registrate più di 500 frammentazioni in orbita, di cui solo una parte è riconducibile a collisioni: nella maggior parte dei casi, infatti, si è trattato di esplosioni di satelliti e stati superiori di lanciatori. Tutti questi eventi di frammentazione hanno portato alla generazione di quelli che vengono definiti detriti spaziali o detriti orbitali i cui numeri sono impressionanti: 34000 oggetti di dimensioni superiori ai 10 cm, 900000 tra 1 cm e 10 cm, e 128 milioni tra 1 mm e 1 cm. La presenza di tali detriti spaziali, la cui velocità tipicamente si aggira intorno ai chilometri al secondo, mette inevitabilmente a rischio la vita operativa dei satelliti attivi. Per questo motivo, negli ultimi decenni sono stati avviati programmi spaziali specifici in grado di controllare e ovviare al problema. Tutti questi programmi si basano su stime e previsioni accurate dello stato degli oggetti in orbita attorno alla Terra, ottenute grazie all'azione di monitoraggio di sensori ottici, laser e radar. Questa tesi ha come obiettivo quello di investigare le potenzialità del sensore italiano BIRALES, un innovativo sensore radar bistatico recentemente incluso nella rete di sensori europei. BIRALES utilizza simultaneamente due diversi sistemi: un sensore a singolo beam a compressione di impulso ed un sensore multibeam ad onda continua. Insieme, i due sistemi sono in grado di fornire due diversi set di misure per tutti gli oggetti che passano all'interno del campo di vista del sensore: misure di slant range (sistema a beam singolo) accoppiate a misure di Doppler shift e profili multipli di rapporto segnale-rumore, uno per ciascun beam illuminato dal passaggio dell'oggetto. I due set di misure offrono teoricamente la possibilità di stimare la traccia dell'oggetto nel campo di vista del ricevitore, consentendo così di ottenere una stima preliminare dello stato dell'oggetto sfruttando un unico passaggio. Tale stima è però complicata dal profilo di guadagno del sistema multibeam, i cui componenti presentano, accanto al beam principale, diversi lobi di grating, i quali introducono un'ambiguità nel processo di ricostruzione della traccia. La prima parte di questa tesi è dedicata allo sviluppo di un algoritmo di determinazione orbitale in grado di gestire il pattern di guadagno particolarmente complesso di BIRALES. L'algoritmo sviluppato, che prende il nome di Multibeam Orbit Determination Algorithm, sfrutta la presenza di lobi multipli per beam per ottenere una stima accurata della traccia dell'oggetto nel campo di vista del ricevitore. Questa stima è poi abbinata alle misure di Doppler shift e range per ottenere una stima dello stato dell'oggetto all'epoca della prima osservazione disponibile. La tesi offre un'analisi dettagliata delle prestazioni dell'algoritmo, evidenziando i punti critici e il ruolo di tutti i parametri che ne influenzano i risultati. Successivamente, viene presentata un'analisi delle prestazioni del sensore nella sua veste di sensore di monitoraggio. Basandosi sui risultati di simulazioni numeriche, la tesi illustra in dettaglio le potenzialità osservative del sensore e l'accuratezza raggiungibile con l'algoritmo di determinazione orbitale sviluppato. L'analisi è condotta considerando due diverse popolazioni di oggetti in orbita intorno alla Terra (catalogo NORAD e popolazione MASTER) e analizzando in dettaglio ogni parametro disponibile. Tali analisi sono poi estese alle prestazioni di catalogazione. La tesi illustra i risultati ottenuti considerando tre scenari differenti: mantenimento di un catalogo, generazione di un catalogo, e la combinazione dei due. Le analisi sono condotte sulla base di un algoritmo di catalogazione appositamente sviluppato e qui proposto, e illustrano in maniera chiara i risultati ottenibili in termini di correlazione da un lato e dimensione e accuratezza del catalogo dall'altro. La parte conclusiva della tesi mostra i risultati ottenuti analizzando dati di campagne osservative condotte dal sensore. L'analisi mostra un confronto tra accuratezza teorica e reale, sottolineando possibili inaccuratezze e fonti di errore. Partendo dai risultati ottenuti, possibili nuove configurazioni del sensore sono infine proposte e discusse.