Brightness model of spacecraft. Validation through observations of OneWeb satellites

Satellite constellations represent more and more advanced and sophisticated instruments for their service variety: from navigation to telecommunications and from surveillance to military services. Nowadays large constellations based on the supply of new technologies associated with the telecommunications are in the process of being completely deployed in orbit and to achieve specific mission goals at 100% of their operative level. This kind of space systems is built up by hundreds or thousands of mini-satellites orbiting around the Earth, generally in Low Earth Orbits (between 100 km and 2,000 km of altitude). However, the artificial objects under certain conditions result to be visible even to the naked eye. The phenomenon of light pollution strongly jeopardises the studies and the researching activities of the astronomical community. In the analyses performed by the astronomical observatories, the trace left by the objects is clear and evident and the images for scientific purposes are certainly damaged and deteriorated. Moreover, an immediate action is necessary to ensure that these systems could carry on the generation of the precious services entered inside the everyday life of human beings without affecting the astronomical observations and, especially, our sky pureness. The aim of this thesis is the development of a mathematical model able to estimate the satellite's brightness. After a research of the theory underlying the reflection phenomena among several models concerning both natural and artificial spherical objects, a adaptive model to planar surfaces will be suggested. Afterwards, it will be also extended to three-dimensional bodies of whatever shapes and dimensions, overcoming the limit associated with the intrinsic roundness of the classical planetary photometry. It is worth to highlight that model of this type has not been developed yet: even if many studies have found out systems able to derive the apparent magnitude (physical quantity showing the observed object's brightness) of a flat surface, the third dimension (spacecraft wholeness) has not been implemented so far. Therefore, the model analysed here is absolutely innovative in its genre. To obtain actual representative results of the satellite brightness, a validation process has been carried on. The observation data of OneWeb satellites (one of the newest large constellations which aim is an Internet connection at low latency and high speed) have been collected and provided by GAL Hassin astronomical observatory, settled in Isnello, near Palermo. Six observational campaigns have been carried out between 2020 and 2021, three of them will be discussed in this dissertation and they are going to be exploited as a comparison with the model's results to asses the quality and eventual limits. Finally, some adjustments and suggestions will be listed to enhance the conducted work. The knowledge of causes and reasons of luminous peaks within the astronomical images is necessary and the relative solutions in the new generation of low-light-pollution satellites needs to be implemented in order to preserve the effort made by astronomical community together with the transparency of the celestial nights.

Le costellazioni di satelliti rappresentano strumenti sempre più evoluti e ricercati per la loro varietà di servizi: dalla navigazione alle telecomunicazioni e dalla sorveglianza ai servizi militari. Al giorno d'oggi le grandi costellazioni basate sull'offerta di nuove tecnologie legate alle telecomunicazioni sono in procinto di essere completamente schierate in orbita e di completare gli obiettivi delle missioni specifiche al 100% della loro operatività. Questo tipo di sistemi spaziali è costituto da centinaia o migliaia di mini-satelliti che orbitano intorno alla Terra, generalmente in orbita terrestre bassa (tra 100 e 2000 km di altitudine). Tuttavia, tali oggetti artificiali sotto determinate condizioni risultano essere visibili persino ad occhio nudo. Questo fenomeno di inquinamento luminoso mette a forte rischio il lavoro e le attività di ricerca della comunità astronomica. Nelle analisi effettuate dagli osservatori astronomici è chiara ed evidente la traccia lasciata da tali oggetti che, ovviamente, danneggia e deteriora le immagini da utilizzare a livello scientifico. È necessario dunque un intervento immediato per far sì che questi sistemi continuino a generare i preziosi servizi che sono entrati nella vita quotidiana dell'essere umano senza compromettere le osservazioni astronomiche e, soprattutto, la purezza del nostro cielo. Lo scopo di questa tesi è la generazione e lo sviluppo di un modello matematico che vada a simulare e a stimare la lucentezza dei satelliti. Dopo aver ricercato tra diversi modelli relativi a oggetti sferici sia naturali sia artificiali la teoria che è alla base dei fenomeni di riflessione, un modello adattabile a superfici piane sarà proposto. Dopodiché esso verrà esteso anche a corpi tridimensionali di qualsiasi forma e dimensione, superando il limite legato alla sfericità espresso all'interno della classica fotometria planetaria. È importante sottolineare come un modello di questo calibro non è stato ancora sviluppato: anche se molti studi hanno ricavato un sistema capace di derivare la magnitudine apparente (grandezza fisica che indica la brillanza dell'oggetto osservato) di una lastra piana, la terza dimensione (la completezza del satellite) non è stata ancora implementata. Il modello qui analizzato, dunque, risulta essere assolutamente innovativo nel suo genere. Affinché i risultati ottenuti siano realmente rappresentativi della brillanza dei satelliti, è stato condotto un processo di validazione. I dati relativi alle osservazioni di satelliti OneWeb (una delle nuovissime grandi costellazioni il cui scopo è una rete internet a bassa latenza ed alta velocità) sono stati collezionati e concessi dall'osservatorio astronomico GAL Hassin situato ad Isnello, in provincia di Palermo. Ben sei campagne di osservazioni sono state effettuate tra il 2020 e il 2021, tre delle quali verranno inserite all'interno di questa dissertazione e saranno utilizzate come strumento di confronto con i risultati del modello per capirne la qualità ed eventuali limiti. Infine, saranno elencati alcuni accorgimenti e proposte per migliorare il lavoro svolto. È necessario capire le cause e i motivi dei picchi luminosi che sono catturati nelle immagini astronomiche e bisogna implementare le relative soluzioni nella nuova generazione di satelliti a basso impatto luminoso, affinché il lavoro svolto dalla comunità astronomica sia salvaguardato insieme alla limpidezza delle notti celesti.