Initial orbit determination of resident space objects with multiple simultaneous optical measurements

Space pollution is one of the main concerns for low to medium Earth orbit space programmes: an impact between a satellite and a space object could completely or partially jeopardize a space mission and, in turn, generate other debris. The interest in this field is constantly growing since the number of space objects released around the Earth has risen sharply over the last two decades; as consequence, also the collision hazard in low Earth orbit is significantly increasing. This thesis project is focused on the observation of orbiting space debris by means of a network composed of space-based or ground-based passive electro-optical sensors: the final aim of this work is to combine the measurements acquired by several observers in order to provide an estimation of the detected debris' orbit. After having introduced all the reference systems adopted to characterize spatial and temporal coordinates of all the involved units, a procedure to simulate the pictures acquired by the telescopes will be presented: the implemented algorithm combines the information related to the target-observers relative dynamics, the detection date and the main telescopes' observation parameters. The outcome will consist of n pictures containing the tracklets left by the detected debris within the telescopes' fields of view, the observed starry portion of the sky and the instrumental noise. Another algorithm is designed to process these images: the tracklets will be, therefore, identified and the observation conditions will be restored to retrieve the apparent angular coordinates of the space debris in the sky. Finally, these measurements will be triangulated to reconstruct the trajectory followed by the target during the acquisition time and the orbit will be estimated in terms of Keplerian parameters by means of a non-linear orbit determination method. As conclusion of this report, the estimation accuracy will be evaluated as a function of the main observation parameters, which are the observers' fields of view and acquisition times, the detectors resolution and the space surveillance network's geometry.

L'inquinamento spaziale è una delle principali preoccupazioni per i programmi spaziali in orbita terrestre medio-bassa: l'impatto tra un satellite e un detrito può compromettere parzialmente o totalmente una missione spaziale, portando alla generazione di ulteriori detriti. L'interesse in questo campo è in continuo aumento vista la crescita che il numero di oggetti rilasciati in orbita ha subito negli ultimi due decenni; come conseguenza, anche il rischio di collisione in orbita bassa è incrementato in modo significativo. Il lavoro presentato è incentrato sul rilevamento di detriti spaziali in orbita intorno alla Terra tramite un network composto da sensori elettro-ottici passivi montati su sistemi di natura terrestre o spaziale: l'intento è quello di combinare le misurazioni acquisite dagli osservatori al fine di fornire una stima orbitale del detrito. Dopo aver introdotto i sistemi di riferimento adottati per caratterizzare nello spazio e nel tempo tutti gli elementi coinvolti, verrà illustrato un procedimento per simulare le immagini acquisite dai telescopi: l'algoritmo implementato combina le informazioni riguardanti le dinamiche relative tra bersaglio e osservatori, la data di rilevamento e i parametri di osservazione dei sensori. Come output si otterrà un set di n immagini comprensive delle tracce lasciate dal detrito nel campo di vista dei telescopi, della porzione di cielo stellato osservata e del rumore strumentale. Un secondo algoritmo si occuperà, quindi, di elaborare le immagini: le tracce verranno identificate e le condizioni di osservazione verranno ricostruite al fine di risalire alle coordinate angolari apparenti del detrito nel cielo. I dati ottenuti da questo processo verranno quindi triangolati per ricostruire la traiettoria percorsa dall’oggetto durante il tempo di acquisizione; i parametri orbitali del detrito saranno stimati mediante un metodo non-lineare per la determinazione orbitale. Per concludere, l'accuratezza della stima verrà valutata variando i principali parametri di osservazione, quali i campi di vista e il tempo di acquisizione dei telescopi, la risoluzione dei sensori e la geometria dello schema di osservazione adottato.