Optimized observation strategy for low earth orbit space-debris tracking radars

Throughout the history of space exploration, started in 1957 with the launch of Sputnik 1, the concerns surrounding the proliferation of space debris have become increasingly significant. Today, the exponential growth of space activities demands immediate efforts to mitigate its potentially catastrophic consequences. In order to ensure space security, the concept of Space Situational Awareness (SSA) is introduced, with a focus on the Space Surveillance and Tracking (SST) segment. The European SST framework is an evolving domain seeking autonomy from US-based resources. In particular, the necessity to monitor and protect the spacecrafts located in the densely populated Low Earth Orbit (LEO) region, leads to the need to enhance a robust space object tracking infrastructure. In this framework is placed the initiative for the development of an European state-of-the-art radar, aiding in orbit refinement, re-entry prediction, and collision avoidance of objects in the LEO region. The goal of this research project is to develop an efficient tracking strategy for the radar, utilizing a database of potential observable space objects and prioritizing optimal resource allocation. The optimization process aims at maximizing the number of observable objects, while minimizing the radar movement and prioritizing certain observations. To address this challenge, the use of OptaPlanner framework is proposed. Multiple local search algorithms are tested to identify the most efficient one for the resolution of the optimization problem. Subsequently, a sensitivity analysis is conducted, examining different databases and prioritizing either the minimization of the radar movement or the maximization of the observations quality, to establish the optimal schedule for the tracking radar.

In tutta la storia dell’esplorazione spaziale, iniziata nel 1957 con il lancio di Sputnik 1, le preoccupazioni legate alla proliferazione dei detriti spaziali sono diventate sempre più significative. Oggi, la crescita esponenziale delle attività spaziali richiede sforzi immediati per mitigare le sue potenziali conseguenze catastrofiche. Al fine di garantire la sicurezza nello spazio, viene introdotto il concetto di Consapevolezza Situazionale Spaziale (Space Situational Awareness - SSA), con un focus sul segmento di Sorveglianza e Tracciamento dello Spazio (Space Surveillance and Tracking - SST). Il quadro europeo nell’ambito della SST è un dominio in evoluzione che cerca l’autonomia dalle risorse statunitensi. In particolare, la necessità di monitorare e proteggere i veicoli spaziali situati nella regione dell’Orbita Terrestre Bassa (Low Earth Orbit - LEO) densamente popolata, porta alla necessità di potenziare un’infrastruttura robusta di tracciamento degli oggetti spaziali. In questo contesto si colloca l’iniziativa per lo sviluppo dei un radar all’avanguardia europeo, che aiuta nel raffinamento delle orbite, nella previsione dei rientri nell’atmosfera terrestre e nell’evitare collisioni tra oggetti nella regione LEO. L’obiettivo di questo progetto di ricerca è sviluppare una strategia di tracciamento efficiente per il radar, utilizzando un database di potenziali oggetti spaziali osservabili e privilegiando l’allocazione ottimale delle risorse. Il processo di ottimizzazione mira a massimizzare il numero di oggetti osservabili, minimizzando contemporaneamente il movimento del radar e privilegiando determinate osservazioni. Per affrontare questa prova, viene proposto l’utilizzo del framework OptaPlanner. Multipli algoritmi di ricerca locale sono testati al fine di identificare il più efficiente per la risoluzione del problema di ottimizzazione. Successivamente, viene condotta un’analisi di sensitività, esaminando diversi database e privilegiando o la minimizzazione del movimento del radar o la massimizzazione della qualità delle osservazioni, al fine di individuare il programma ottimale per il radar di tracciamento.