Implementing the environment-vulnerability-decision-technology framework to space collision avoidance applications

With the growing number of human-made space objects in the orbital regions around the Earth, the probability of collision between the objects has escalated severely. Currently, there are innumerable uncontrolled small space objects orbiting the Earth that pose danger to the fleet of active satellites and the future of human spaceflights. The most prevalent space observation sensors currently have the capability of tracking space objects that are larger than 1 centimeter in diameter. With the advancements in observation sensor technologies, much smaller objects will be tracked and cataloged by Space Situational Awareness (SSA) suppliers. With the increased number of tracked space objects, more probable collisions will be detected. In collision avoidance operations, whenever a space object is estimated to come in close proximity to a primary spacecraft, continuous alerts and warnings are issued that must be handled by the conjunction service providers. As the conjunctions between different objects become more frequent, the workload of the conjunction assessment teams and the service suppliers will heavily increase. To optimize how collision avoidance operations are carried out, development of a Decision Support System (DSS) would be of high interest. In this thesis, the Environment-Vulnerability-Decision-Technology (EVDT) framework is utilized to help with modeling a simplified version of the complex system of space collision avoidance operations and lay the groundwork for developing a DSS in the future. The EVDT is a broad framework that considers the interdependent relationships within a system by accounting for environmental, social, economical, and technical factors in high-uncertainty and multi-stakeholder scenarios, to encourage sustainable development. EVDT has already been used in developing a DSS for Earth sustainability cases such as in Ghana, Brazil, Indonesia, and more. This thesis work will be the first implementation of the EVDT framework in a non-terrestrial environment. Due to the public availability of their operational data, NASA Conjunction Assessment Risk Analysis (CARA) collision avoidance operations are taken as inspiration in this thesis and a program model named COLA-EVDT has been created. CARA is responsible for assessing conjunctions and suggesting risk-mitigation actions for uncrewed NASA spacecraft. COLA-EVDT is scripted in MATLAB to further make use of CARA’s available conjunction risk assessment software. The program developed in this work is capable of downloading space catalogs, propagating space object states and covariances to detect conjunctions, generating Conjunction Data Messages (CDMs), calculating the socioeconomic impact of conjunction, and suggesting what action is required for conjunction events. Even in the simplified form of operations, the outputs of COLA-EVDT resemble the actual operations for collision avoidance to an extent and prove that it is possible to develop a DSS to simulate and analyze different operational architectures using the EVDT framework.

Con il crescente numero di oggetti spaziali creati dall'uomo nelle regioni orbitali attorno alla Terra, la probabilità di collisione tra gli oggetti è aumentata notevolmente. Attualmente, ci sono innumerevoli piccoli oggetti spaziali incontrollati in orbita attorno alla Terra che rappresentano un pericolo per la flotta di satelliti attivi e per il futuro dei voli spaziali umani. I sensori di osservazione spaziale più diffusi attualmente hanno la capacità di tracciare oggetti spaziali di diametro superiore a 1 centimetro. Con i progressi nelle tecnologie dei sensori di osservazione, oggetti molto più piccoli saranno tracciati e catalogati dai fornitori di Space Situational Awareness (SSA). Con l'aumento del numero di oggetti spaziali tracciati, verranno rilevate collisioni più probabili. Nelle operazioni di prevenzione delle collisioni, ogni volta che si stima che un oggetto spaziale si trovi in prossimità di un veicolo spaziale primario, vengono emessi continui avvisi e avvisi che devono essere gestiti dai fornitori di servizi di congiunzione. Man mano che le congiunzioni tra oggetti diversi diventano più frequenti, il carico di lavoro dei team di valutazione delle congiunzioni e dei fornitori di servizi aumenterà notevolmente. Per ottimizzare il modo in cui vengono eseguite le operazioni di prevenzione delle collisioni, lo sviluppo di un sistema di supporto alle decisioni (DSS) sarebbe di grande interesse. In questa tesi, il framework EVDT (Environment-Vulnerability-Decision-Technology) viene utilizzato per aiutare a modellare una versione semplificata del complesso sistema di operazioni di prevenzione delle collisioni spaziali e gettare le basi per lo sviluppo di un DSS in futuro. L'EVDT è un ampio quadro che considera le relazioni interdipendenti all'interno di un sistema tenendo conto dei fattori ambientali, sociali, economici e tecnici in scenari ad alta incertezza e multi-stakeholder, per incoraggiare lo sviluppo sostenibile. L'EVDT è già stato utilizzato nello sviluppo di un DSS per casi di sostenibilità della Terra come in Ghana, Brasile, Indonesia e altri. Questo lavoro di tesi sarà la prima implementazione del framework EVDT in un ambiente non terrestre. A causa della disponibilità pubblica dei loro dati operativi, le operazioni di prevenzione delle collisioni CARA (Conjunction Assessment Risk Analysis) della NASA sono prese come ispirazione in questa tesi ed è stato creato un modello di programma chiamato COLA-EVDT. Il CARA è responsabile della valutazione delle congiunzioni e del suggerimento di azioni di mitigazione del rischio per i veicoli spaziali della NASA senza equipaggio. COLA-EVDT è programmato in MATLAB per utilizzare ulteriormente il software di valutazione del rischio di congiunzione disponibile di CARA. Il programma sviluppato in questo lavoro è in grado di scaricare cataloghi spaziali, propagare stati di oggetti spaziali e covarianze per rilevare congiunzioni, generare Conjunction Data Messages (CDM), calcolare l'impatto socioeconomico della congiunzione e suggerire quale azione è richiesta per gli eventi di congiunzione. Anche nella forma semplificata delle operazioni, i risultati di COLA-EVDT assomigliano in una certa misura alle effettive operazioni per evitare le collisioni e dimostrano che è possibile sviluppare un DSS per simulare e analizzare diverse architetture operative utilizzando il framework EVDT.