Onboard autonomous conjunction analysis with optical sensor

In recent years, the growing number of satellite launches increased the risk of in-orbit collision. Mitigation approaches, as Collision Avoidance Manoeuvre, require accurate prediction of the conjunction event to avoid the occurrence of catastrophic fragmentations such as the Iridium-33/Cosmos-2251 event, where no action was taken due to outdated information. The possibility to perform these operations directly onboard would allow a substantial reduction of the burden on ground infrastructure, improving the sustainability of the space environment. In this thesis, a Low Earth Orbit satellite, based on the real COSMO-SkyMed 4, is equipped with an optical sensor and a statistical analysis is carried out to evaluate the camera performance in terms of visibility, with respect to a catalogue of potentially hazardous targets, in a realistic scenario simulated with SOPAC (Space Object PAss Calculator). Conjunction events are then identified and measurements generated for the relative Orbit Determination (OD) process. The filter is based on the analytical Least Squares, providing results directly at the nominal Time of Closest Approach, without the need to further propagate the solution. The reference trajectory is computed with SGP4 to achieve higher accuracy with lower computational time, suitable for a space-based solution. A classic Unscented Kalman Filter is then used to validate the results, with observations coming from a set of three ground stations part of the EU SST (EU Space Surveillance and Tracking) sensor network. Overall, the proposed method allows for accurate conjunction analysis directly onboard, in a fraction of the time typically required for refined OD algorithms. In future, it could provide fully autonomous threat detection and initial orbit determination, greatly improving safety and efficiency of space activities.

Negli ultimi anni, il crescente numero di lanci di satelliti ha aumentato il rischio di collisioni in orbita. Metodi di mitigazione, come le manovre anti-collisione, richiedono un'accurata previsione della congiunzione per evitare il ripetersi di frammentazioni catastrofiche come l'evento Iridium-33/Cosmo-2251, in cui non è stata intrapresa alcuna azione a causa di informazioni non aggiornate. La possibilità di effettuare queste operazioni direttamente a bordo permetterebbe di ridurre notevolmente l'onere delle infrastrutture di terra, migliorando la sostenibilità dell'ambiente spaziale. In questa tesi, un satellite in orbita bassa, basato su COSMO-SkyMed 4, è equipaggiato con un sensore ottico e un'analisi statistica viene realizzata per determinare le prestazioni della camera di bordo in termini di visibilità, rispetto a un catalogo di bersagli potenzialmente pericolosi, in uno scenario realistico simulato con SOPAC (Space Object PAss Calculator). Vengono quindi identificate le congiunzioni e generate le misure per il processo di determinazione orbitale relativa. Il filtro è basato sul metodo dei minimi quadrati analitico, che fornisce risultati direttamente al tempo di minima distanza nominale, senza la necessità di propagare ulteriormente la soluzione. La traiettoria di riferimento è calcolata con SGP4 per ottenere una maggiore accuratezza con un tempo computazionale inferiore, adatto a un sistema satellitare. Per validare i risultati è stato quindi utilizzato un classico filtro di Kalman Unscented, con osservazioni ottenute da una serie di tre stazioni di terra parte della rete di sensori EU SST (EU Space Surveillance and Tracking). Complessivamente, il metodo proposto consente un'accurata analisi delle congiunzioni direttamente a bordo in una frazione del tempo tipicamente richiesto da algoritmi di OD di tipo refined. In futuro, potrebbe garantire il rilevamento delle minacce e la determinazione orbitale iniziale in modo completamente autonomo, miglirando notevolmente la sicurezza e l'efficienza delle attività spaziali.