Satellite manoeuvre detection and estimation with radar observations

The increasing number of Resident Space Objects (RSOs) and congestion of the orbital debris environment cause activities for cataloguing of space objects to become more challenging year after year. The main source of potential new object detection corresponds to manoeuvres of operational satellites, creating trajectories unexpected by cataloguing systems. Detecting manoeuvres is crucial for maintaining catalogues of RSOs, since otherwise duplicated objects would populate the entire catalogue. Manoeuvre detection with survey observations can be understood as an association problem between the orbit of a RSO, estimated before the manoeuvre, and a set of Uncorrelated Tracks (UCTs), received afterwards, not necessarily all of them belonging to the manoeuvring satellite. In this thesis, a novel approach is proposed for detection and estimation of manoeuvres based on tracking observations, suitable to be used with survey data thanks to its run-time efficiency. The detection is realised in the measurements space, while a first guess for the manoeuvre is obtained via parameter estimation, employing an optimal control approach with a cost function depending on the velocity increment. The time for detection is considerably reduced, since, as opposed to orbit-to-orbit association, a full new object detection and initiation is not required. However, a single track after a manoeuvre is not enough information to estimate the manoeuvre and post-manoeuvre orbit with enough accuracy to correlate future tracks. Thus, this track-to-orbit correlation needs to be combined with a track-to-track method in order to associate post-manoeuvre tracks corresponding to the manoeuvring RSO until obtaining similar accuracy for the post-manoeuvre orbit (and the manoeuvre itself) as in the no-manoeuvre scenario. The proposed methodology is able to provide reliable first manoeuvre estimates which are then refined with high-fidelity orbit determination. Results are presented for simulated radar data, highlighting the qualities of the detection and estimation strategy.

Il crescente numero di Resident Space Objects (RSOs) e la congestione dello spazio intorno alla Terra rendono le attività di catalogazione degli oggetti spaziali sempre più impegnative. La fonte principale di rilevamento di oggetti potenzialmente nuovi sono le manovre dei satelliti, che causano lo spostamento di quest'ultimi su traiettorie non previste dai cataloghi orbitali. Rilevare queste manovre è cruciale per il corretto mantenimento dei cataloghi di RSO e per evitare la generazione di duplicati. Il rilevamento e la stima di manovre tramite osservazioni di sorveglianza può essere inteso come un problema di associazione fra un'orbita, stimata prima della manovra, e un insieme di tracce non correlate, ricevute successivamente e non necessariamente appartenenti allo stesso oggetto. Questa tesi presenta un nuovo approccio per rilevamento e stima di manovre a partire da osservazioni di tracking, applicabile anche in scenari di sorveglianza grazie al suo basso costo computazionale. Il rilevamento è effettuato a partire dalle misurazioni ed è seguito da un algoritmo basato su un approccio ottimo che permette di ottenere una prima stima della manovra. Il tempo necessario per il rilevamento è sensibilmente ridotto perché, a differenza di metodologie che sfruttano associazioni orbita-orbita, l'inizializzazione di un nuovo oggetto non è richiesta. Ciononostante, i dati contenuti in una singola traccia post-manovra non sono sufficienti per stimare l'orbita post-manovra e la manovra stessa con sufficiente accuratezza. Per questo motivo, la correlazione traccia-orbita per la stima della manovra deve essere preceduta dall'applicazione di una metodologia per associazioni traccia-traccia, in modo da correlare sufficienti osservazioni post-manovra dello stesso RSO, fino ad ottenere un'accuratezza per la manovra e l'orbita post-manovra simile a casistiche senza alcun impulso. La metodologia proposta permette di ottenere una stima iniziale della manovra successivamente rifinita tramite orbit determination ad alta fedeltà. I risultati sono ottenuti a partire da dati radar simulati, mostrando le qualità dell'algoritmo sviluppato per il rilevamento e la stima.