Advanced Track-to-Orbit correlation techniques for Very Short Arcs

The maintenance of a constantly updated catalogue of dynamical states for all the Resident Space Objects around the Earth is of crucial importance in a constantly growing Space Environment. This is achieved through Track-to-Orbit correlation of the observations gathered from a network of Ground Stations with the previously computed orbits of the respective satellites. When the target is too far or fast with respect to the ground and not equipped with instrumentation suitable for laser acquisition, the only sensors that produce a reliable measurement are high resolution optical telescopes, which extract the sequence of angular positions in the sky during the time interval for which the object is observable. In some particular cases it happens that a short visibility window, combined with the presence of other sources of light that jeopardize the observation, strongly limits the number of capturable frames leading to a sparse and short sequence. Classical correlation procedures tend to underperform when employed on Very Short Arcs, mainly due to the sparsity of the frames that increases considerably the contribution of the noise on the measurements in the final result. Elaborating the information retrieved from the station by condensing the track into an attributable may be beneficial in order to even out the outliers and associate a more realistic uncertainty to the data. The hypothesis is verified by implementing two advanced and innovative Track-to-Orbit correlation tools based the technique of Admissible Regions, which in the first case case are densely and uniformly sampled exploiting Delaunay Triangulation and an efficient random sampling algorithm, while in the second case are represented as a Differential Algebra object and partitioned exploiting the Automatic Domain Splitting routine. The capabilities of the tools, in terms of the ability to successfully link Very Short Arcs generated by an optical Ground Station to the respective Space Object avoiding false-positive and false-negative associations, have been preliminary tested on three small sets of both synthetic and real sparse sequences with satisfying and promising results.

Il mantenimento di un catalogo costantemente aggiornato degli stati dinamici per ogni Resident Space Object attorno alla Terra è di cruciale importanza in uno Space Environment in continua espansione. Ciò viene realizzato tramite la correlazione Track-to-Orbit delle osservazioni raccolte da un network di Ground Stations con le orbite dei rispettivi satelliti calcolate precedentemente. Quando il target è troppo lontano o veloce rispetto al suolo e non dotato di strumentazione adatta per l'acquisizione laser, gli unici sensori in grado di produrre una misurazione affidabile sono i telescopi ottici ad alta risoluzione, i quali estraggono la sequenza di posizioni angolari nel cielo durante l'intervallo temporale in cui l'oggetto è osservabile. In alcuni casi particolari, una visibility window corta, combinata con la presenza di altre fonti luminose che compromettono l'osservazione, limita fortemente il numero di fotogrammi catturabili, generando dunque una sequenza sparsa e breve. Le procedure di correlazione classiche tendono a sottoperformare quando impiegate per i Very Short Arcs, principalmente a causa della scarsità dei frames che aumenta considerevolmente il contributo del rumore sulle misurazioni nel risultato finale. Elaborare le informazioni recuperate dalla stazione, comprimendo la traccia in un attributable, potrebbe essere vantaggioso per mediare le deviazioni e associare un' incertezza più realistica ai dati. L'ipotesi è verificata attraverso l'implementazione di due strumenti avanzati e innovativi di correlazione Track-to-Orbit basati sulla tecnica delle Admissible Regions. Nel primo caso, le regioni sono campionate in modo denso e uniforme sfruttando la Triangolazione di Delaunay e un efficiente algoritmo di random sampling, mentre nel secondo caso sono rappresentate come un oggetto della Differential Algebra e partizionate sfruttando la routine dell' Automatic Domain Splitting. Le performance dei tools, in termini dell'abilità nel correlare con successo i Very Short Arcs generati da una Optical Ground Station al rispettivo Space Object, evitando falsi-positivi e falsi-negativi, sono state testate preliminarmente su tre set ridotti di sequenze sia sintetiche che reali, con risultati soddisfacenti e promettenti.