Satellite manoeuvre determination with uncorrelated data in a multi-target association framework

Over recent years, the number of objects orbiting our planet has been constantly increasing. The growing population of active satellites poses the problem of the saturation of the Near-Earth environment, which has to be preserved from the risks coming from its increased exploitation. This is the reason why Space Surveillance and Tracking systems, entailing detection, cataloguing and prediction of orbiting natural or artificial objects, were born. The manoeuvres of active satellites represent an issue especially for surveillance scenarios, which are characterized by sparsity of data. Whenever a manoeuvre is not properly estimated, a duplicated object can be mistakenly added to the catalogue, leading to its subsequent pollution. Manoeuvre detection and estimation algorithms are therefore of upmost importance for SST activities. Nowadays, the majority of the approaches existing in the literature focuses on the subproblem of the single object manoeuvre characterization, assuming the post-manoeuvre association of tracks to that object to be known a priori, which is not always feasible in an operational environment. This work is intended to be an extension of the mentioned problem, by placing it in a multi-target association framework. An algorithm to solve the correlation problem, capable to connect the orbit of a satellite with its relative association of post-manoeuvre tracks, is then developed. Since the methodology is conceived to be integrated in an operational environment, a double step algorithm is implemented with the purpose of a more computational efficient approach. Firstly, a pre-filter, applied to each correlation between the uncorrelated objects and the associations present in the catalogue, is intended to filter out the clearly wrong correlations. Then, a more refined algorithm based on a perturbed dynamics methodology is applied for each of the remaining correlations in order to promote the correct ones and, for each of them, retrieve an enough accurate manoeuvre estimate.

Negli ultimi anni, il numero di oggetti che orbitano attorno al nostro pianeta ha visto un costante aumento. La crescente popolazione di satelliti attivi pone il problema della saturazione dello spazio attiguo alla Terra, che deve essere protetto dai rischi che derivano da un suo sempre più ampio utilizzo. Per questo motivo sono nati sistemi di tracciamento e sorveglianza spaziale che implicano la rilevazione, la catalogazione e la predizione di oggetti orbitanti naturali o artificiali. Uno degli aspetti più critici per le attività di catalogazione comprende il rilevamento e la stima delle manovre di satelliti attivi, un problema soprattutto in scenari di sorveglianza, caratterizzati da carenza di dati. Quando una manvovra non è stimata correttamente, un duplicato dell'oggetto può essere erroneamente aggiunto al catalogo, che viene contaminato. Gli algoritmi di rilevamento e stima di manovre sono quindi fondamentali per le attività di SST. Al giorno d'oggi la maggior parte degli approcci presenti in letteratura si concentra sul sottoproblema della caratterizzazione della manovra del singolo oggetto, assumendo di conoscere a priori l'associazione di tracce post-manovra dell'oggetto stesso. Ciò non è sempre fattibile in ambiente operativo. Questa tesi vuole essere un'estensione del problema appena menzionato, collocandolo nel contesto di associazione multi-target. Un algoritmo per risolvere il problema della correlazione, capace di connettere l'orbita di un satellite con la sua relativa associazione di tracce post-manovra, è quindi implementato. La metodologia è pensata per essere integrata in ambiente operativo, pertanto un algoritmo è sviluppato in due punti con lo scopo di un approccio a più alta efficienza computazionale. Innanzitutto, un pre-filtro, applicato ad ogni correlazione tra gli oggetti non correlati e le associazioni presenti nel catalogo, filtra le correlazioni che sono chiaramente inesatte. Poi, un algoritmo più affinato che sfrutta una metodologia basata sulla dinamica perturbata è applicato ad ogni correlazione rimanente in modo da promuovere quelle corrette e, per ognuna di esse, ricavare una stima della manovra sufficientemente accurata.