Estimation of the rotational dynamics and kinematics of a space object using radar measurements

The space debris problem has been recently object of many studies. Space junk is a constant threat to present and future space missions, space-borne infrastructures and space accessibility in general. It is of the utmost importance to keep the production of more debris in check and to monitor the existing one. Some missions have been recently started to be designed for the specific purpose of removing nonoperational spacecrafts and other space junk that is still orbiting Earth. This kind of mission usually requires the knowledge of the tumbling motion of their objective to successfully retrieve them, but the debris is usually tumbling uncontrollably. Techniques have been developed in order to estimate the tumbling motion of resident space objects orbiting Earth, through means of optical or radar observations. This thesis is focused on the development of software capable to estimate the angular velocity and attitude variation of a target by radar observations, specifically by analyzing the variation of the Signal-to-Noise Ratio over time. Frequency domain analysis and optimization techniques are used to link the SNR with the tumbling motion of the object in exam. A simulation of the tumbling motion of a cylindrical body is carried out to test the capability of these estimation procedures.

Il problema dei detriti spaziali è oggetto di molti studi recenti. La spazzatura spaziale è una costante minaccia alle attuali e future missioni spaziali, alle infrastrutture orbitanti, e all'accesso allo spazio in generale. Mantenere sotto controllo l'ulteriore produzione di detriti e monitorare quelli esistenti è questione di grande importanza. Recentemente è cominciato il design di missioni con lo specifico obbiettivo di rimuovere satelliti in disuso e altra spazzatura spaziale che sta ancora orbitando la Terra. Questo tipo di missione di solito necessita la conoscenza del moto di rotazione del loro obiettivo perché abbiano successo, ma solitamente questo moto è sconosciuto e incontrollato. Alcune tecniche sono già state sviluppate al fine di stimare il moto di rotazione di un oggetto orbitante la Terra, tramite osservazioni ottiche o radar. Questa tesi riporta lo sviluppo di un software in grado di stimare la velocità angolare e l'evoluzione dell'attitudine di un oggetto spaziale basandosi su osservazioni radar, in particolare analizzando la variazione del rapporto segnale-rumore nel tempo. Analisi in frequenza e tecniche di ottimizzazione sono state usate per trovare la relazione tra SNR e moto di rotazione dell'oggetto in esame. La simulazione del moto di un corpo cilindrico è stata inoltre proposta per testare le capacità del software.