Characterization of Fragmentation Events in Near Earth Environment exploiting Conjunction Analysis

The population of Resident Space Objects is increasing exponentially, especially in the lower Earth orbits. These host various kinds of debris, which continuously pose a major problem for the orbiting satellites, on the one hand risking to disable a mission and on the other potentially causing chains of events able to generate further objects. In this regard, fragmentation events (eg. collisions, explosive break-ups, wearing of materials. . . ) represent a criticality, currently being the dominant source of space debris. The aim of the following research is to improve an existing tool able to characterize a fragmentation event. Its epoch is the expected result of the implemented routine. This would allow to plan further observations and soon predict the debris proliferation. To achieve this, the analysed event is treated as a collision between the primary object (parent) and the resulting fragment. This analogy allows to compute the Probability of Collision (PoC) between the two objects. The result is analysed as a series of values in time, and when the maximum value is identified, the corresponding Time of Closest Approach is stored as a possible fragmentation epoch. Another typical Conjunction Analysis (CA) criterion, the Mahalanobis distance, is then applied to determine a single estimated epoch as the output. In this routine, the use of Gaussian Mixture Models (GMM) is exploited as a method of uncertainty propagation. The result of this addition with respect to existent methods of CA is expected to be a more robust computation of the PoC. GMM allow in fact to better capture the non-linearities of the propagation model, which usually appear after many orbital periods and are hardly well represented if the initial uncertainty is assumed Gaussian. To test the application of the method as well as to validate the use of GMM, a test case is conducted for an anti-satellite test involving the breakup of Cosmos 1408, happened in November 2021. The result of the work is a new metric of characterization of these critical events, with a big advantage: it requires solely a single orbital state among all produced fragments and one ephemeris of the primary object.

La popolazione degli oggetti residenti nello spazio sta aumentando in modo esponenziale, specialmente nelle orbite terrestri più basse. Queste ospitano vari tipi di detriti, che costituiscono costantemente un problema significativo per i satelliti in orbita. Da un lato c’è il rischio di compromettere una missione, mentre dall’altro l’eventualità di causare catene di eventi capaci di generare ulteriori oggetti. A questo proposito, gli eventi di frammentazione (che includono collisioni, rotture esplosive, usura dei materiali...) rappresentano una criticità, essendo attualmente la fonte dominante di detriti spaziali. Lo scopo della seguente ricerca è migliorare un tool esistente in grado di caratterizzare un evento di frammentazione. La stima dell’epoca di tale evento è il risultato atteso della routine implementata. Ciò consentirebbe di pianificare ulteriori osservazioni e prevedere presto la proliferazione dei detriti. A tale scopo, l’evento analizzato è trattato come una collisione tra l’oggetto originario (genitore) e il frammento risultante. Questa analogia consente di calcolare la PoC tra i due oggetti. Il risultato è analizzato come una serie di valori nel tempo, e quando viene identificato il massimo, l’istante di minimo avvicinamento corrispondente viene registrato come possibile epoca di frammentazione. Un altro criterio tipico della CA, la distanza di Mahalanobis, è poi applicato per determinare una singola stima dell’epoca in output. In questa routine le GMM sono impiegate come metodo di propagazione dell’incertezza. Il risultato di questa aggiunta, rispetto a metodi già esistenti nella CA, sarebbe un calcolo più robusto della PoC. Le GMM consentono infatti di catturare meglio le non-linearità del modello di propagazione, che generalmente si manifestano dopo molti periodi orbitali e sono difficili da rappresentare in maniera adeguata se l’incertezza iniziale viene assunta come Gaussiana. Per eseguire la simulazione del metodo e per validare l’applicazione delle GMM, viene condotto un test case su un test anti-satellite che ha coinvolto la frammentazione di Cosmos 1408, avvenuta nel novembre 2021. Il risultato del lavoro è una nuova metrica per caratterizzare questi eventi critici, con un grande vantaggio: richiede esclusivamente un singolo stato orbitale tra tutti i frammenti prodotti e una effemeride dell’oggetto originario.