Light curve inversion for attitude reconstruction of tumbling space debris

In recent years, the problem of space pollution has become more and more important in the space field. Monitoring and tracking of the space debris population is fundamental in order to keep space accessible for human operations. In particular, observations through optical telescopes allow space agencies to directly observe the orbiting object and study the trail (streak or tracklet) it leaves on the detector. From these streaks, it is possible to extract in post-processing the variation of the light reflected by the object in time (light curve). From light curves, the key features of the space debris such as its orbital parameters and attitude state can be retrieved. Particularly, the information about the latter is of fundamental importance when it comes to actively remove the debris or to predict how it will behave when/if it will reenter the atmosphere. Most of the techniques used for determining the attitude motion of a space object rely on methods developed for the determination of the rotational period of asteroids and variable stars (period finding algorithms). More complex methods, such as light curve inversion, allow to reconstruct the attitude state by simulating the dynamics of a geometry-defined object and the way it reflects the light coming from the Sun. In this thesis, a variation of the latter is used to extract the angular velocity of a generic tumbling object, that is approximated by a square flat plate. Its dynamics evolution is employed to build synthetic light curves through a simple reflection model. They are used to fit the real ones extracted from FITS images, through an optimization process that outputs the attitude state of the object itself. Moreover, synthetic images containing streaks are generated to validate the code using the same simulation process. Considering the results, the code correctly extracts and analyzes streaks in real and synthetic images. The target object angular velocity, both in norm and components, is accurately determined for moderate rotational periods. With faster rotations, the results validity slightly decreases, but it is still acceptable for the preliminary analysis of the space debris tumbling motion.

Negli ultimi anni il problema dell'inquinamento dello spazio è diventato sempre più importante nell'ambito spaziale. Il monitoraggio della popolazione di detriti spaziali è fondamentale affinché lo spazio rimanga accessibile per le operazioni umane. In particolare, le osservazioni tramite telescopi ottici permettono alle agenzie spaziali di osservare direttamente gli oggetti in orbita e di studiare le scie (streak) che lasciano sulle camere. A partire da queste streak è possibile estrarre la variazione di luce riflessa dall'oggetto nel tempo (curva di luce). Dalle curve di luce si può risalire alle caratteristiche principali dei detriti spaziali, come i loro parametri orbitali o lo stato attitudinale. Quest'ultimo risulta particolarmente d'aiuto nella rimozione attiva di detriti spaziali o quando è necessario predire il comportamento del detrito al rientro nell'atmosfera terrestre. La maggior parte delle tecniche utilizzate per determinare il moto attitudinale di un oggetto spaziale si basa su metodi sviluppati per la determinazione del periodo rotazionale di asteroidi e stelle ad intensità variabile (algoritmi period finding). Metodi più complessi, come l'inversione della curva di luce, consentono di ricostruire lo stato attitudinale grazie alla simulazione della dinamica di un oggetto a geometria ben definita che riflette la luce proveniente dal sole. In questa tesi, una variazione di quest'ultimo metodo viene usata per estrarre la velocità angolare di un generico oggetto rotante, approssimato da una piastra piana quadrata. La dinamica di quest'ultima viene impiegata per costruire curve di luce sintetiche attraverso un semplice modello di riflessione. Queste sono utilizzate per fittare curve di luce reali estratte da immagini FITS, attraverso un processo di ottimizzazione che fornisce in output lo stato attitudinale dell'oggetto stesso. Inoltre, vengono generate attraverso il medesimo processo di simulazione immagini sintetiche contenenti streak per validare il codice. Per quanto riguarda i risultati, il codice estrae ed analizza in maniera corretta streak in immagini FITS reali e sintetiche. La velocità angolare del target, sia in norma, sia in componenti, è determinata accuratamente per periodi di rotazione moderati. Con rotazioni più veloci, la validità dei risultati diminuisce leggermente, ma rimane comunque accettabile per l'analisi preliminare del moto attitudinale del detrito spaziale.