Adaptive beamforming calibration and resident space objects attitude determination in surveillance radars

In recent years, the topic of space debris has been the subject of studies and attention from the international community. Debris is a threat to all operative spacecrafts in the Earth’s orbit, and the risk of impact grows whenever a fragmentation event happens. As such, the ability to track rogue objects in orbit is crucial to avoid collisions with other bodies or to predict uncontrolled re-entries. In this context, multiple debris tracking networks have been developed around the world to constantly track orbital objects through radar and optical observations. Among them, the European Space Surveillance and Tracking (EUSST) consortium was formed, comprised of multiple radar, optical and laser sensors belonging to European countries. BIRALES, an Italian bistatic radar, is part of these sensors and it is composed of a transmitter located at the Italian Joint Test Range in the sardinian region of Salto di Quirra and a section of the Northern Cross radiotelescope in Medicina near Bologna as the receiver. The use of BIRALES for debris surveillance has been extensively analyzed and optimized in recent years, with the introduction of the MATER (MUSIC Approach for Track Estimation and Refinement) algorithm being the most recent and effective update to increase its accuracy and effectiveness. This work aims at expanding on the work performed so far and improving the MATER application to BIRALES, solving a calibration imperfection varying along the field of view arising from the radar array receiver geometry and reducing the quality of the direction of arrival estimation. A mathematical model of the calibration error as a function of the pointing elevation and position in the field of view was constructed and applied to real observations data to prove its effectiveness in different scenarios. The error was successfully reduced in most conditions down to one order of magnitude and to the point where no dependence on the field of view can be ascertained. Additionally, a preliminary study on the possibility of using the radar response intensity frequency content to estimate the attitude behavior of the target is also presented and assessed through simulations and real data applications. The methods proved effective at providing a first estimate of the object rotational period.

Negli ultimi anni, il tema dei detriti spaziali ha attratto attenzione da parte della comunità internazionale. La "spazzatura spaziale" rappresenta una minaccia per tutti i satelliti operativi nell’orbita terrestre, e il rischio di collisione aumenta ogni volta che si verifica un evento di frammentazione. Pertanto, la capacità di tracciare oggetti fuori controllo in orbita è cruciale per evitare collisioni con altri corpi o per poterne prevedere il rientro incontrollato. In questo contesto, diversi network di sorveglianza sono stati creati in tutto il mondo per monitorare costantemente corpi in orbita attraverso combinazioni di osservazioni radar e ottiche. Tra questi figura il consorzio European Union Space Surveillance and Tracking (EUSST), composta da numerosi radar e telescopi distribuiti in Europa e altre parti del mondo. Uno di questi sensori, BIRALES, è un radar bistatico situato in Italia ed è composto da un trasmettitore situato al poligono di tiro di Salto di Quirra in Sardegna e da un ricevitore composto da parte del radiotelescopio "croce del nord" situato al radio-osservatorio di Medicina, vicino Bologna. L’uso di BIRALES per il monitoraggio dei detriti è stato ampiamente analizzato e ottimizzato negli ultimi anni, con l’introduzione dell’algoritmo per la stima della direzione del segnale MATER (MUSIC Approach for Track Estimation and Refinement) come aggiornamento più recente e di grande efficacia per aumentarne l’accuratezza ed efficienza. Questo lavoro mira a espandere il lavoro finora svolto e migliorare l’applicazione di MATER a BIRALES, risolvendo un’imperfezione di calibrazione che varia lungo il campo visivo causato della geometria del ricevitore e che riduce la qualità dell’osservazione. È stato formulato un modello matematico dell’errore di calibrazione in funzione dell’inclinazione di puntamento e della posizione nel campo visivo ed è stato applicato alle osservazioni per dimostrarne l’efficacia in diverse situazioni. L’errore è stato ridotto con successo nella maggior parte delle condizioni fino a oltre un ordine di grandezza e al punto in cui non è possibile rilevare una chiara dipendenza dalla posizione nel campo visivo. Inoltre, viene presentato uno studio preliminare sulla possibilità di utilizzare il contenuto in frequenza dell’intensità di risposta del radar per stimare l’evoluzione dell’assetto dell’oggetto. Attraverso simulazioni e lo studio di dati reali, diversi metodi vengono presentati e testati. I metodi si sono dimostrati efficaci nel fornire una prima stima del periodo di rotazione dell’oggetto.