Robust collision risk metrics for improved decision-making in conjunction analysis

The rapid increase in space objects poses unprecedented challenges to satellite operations and human spaceflight, highlighting the urgent need for precise collision risk assessments. Traditional methodologies frequently fail to deliver accurate assessments, primarily due to their reliance on the linearization of dynamics and the assumption of Gaussian uncertainty distributions. Although these issues contribute to inaccuracies, they are not the principal reason for the unreliability of traditional methods. The main limitation is the inherently high degree of uncertainty present in collision probability computations, coupled with traditional methodologies' inability to adequately incorporate and manage this variability, making them particularly sensitive to uncertainty. This thesis introduces two innovative methodologies aimed at enhancing collision risk metrics within Space Situational Awareness (SSA): the Weighted Probability of Collision (WPoC) and the Probability of Maneuver (PoM). These methods significantly improve the robustness and reliability of collision probability assessments amidst the the complexities of active satellite conjunctions and uncertain space environment. The WPoC method transcends conventional approaches by incorporating a nuanced analysis of the uncertainties associated with the relative positions and movements of space objects, offering a probabilistic measure that more effectively captures dynamic spatial relationships. Concurrently, the PoM provides forward-looking insights into the evolution of collision probabilities, facilitating a proactive approach to managing collision threats. Empirically validated with data from the European Space Agency's Collision Avoidance Challenge, both metrics have shown significant enhancements in predictive performance and risk assessment capabilities. This research not only augments the theoretical foundations of risk metrics in SSA but also proposes practical applications that improve decision-making in collision avoidance strategies, thereby fostering a more sustainable future for orbital operations.

Il rapido aumento degli oggetti spaziali rappresenta sfide senza precedenti per le operazioni satellitari e per i voli spaziali umani, evidenziando la necessità urgente di valutazioni precise del rischio di collisione. Le metodologie tradizionali spesso non forniscono valutazioni accurate, principalmente a causa della loro dipendenza dalla linearizzazione delle dinamiche e dall'assunzione di distribuzioni gaussiane delle incertezze. Sebbene queste problematiche contribuiscano alle imprecisioni, esse non costituiscono la ragione principale dell'inaffidabilità delle metodologie tradizionali. Il limite principale risiede nell'elevato grado intrinseco di incertezza presente nei calcoli della probabilità di collisione, unito all'incapacità delle metodologie tradizionali di incorporare e gestire adeguatamente tale variabilità, rendendole particolarmente sensibili all'incertezza. Questa tesi introduce due metodologie innovative mirate a migliorare le metriche di rischio di collisione all'interno della Space Situational Awareness (SSA): la Weighted Probability of Collision (WPoC) e la Probability of Maneuver (PoM). Questi metodi migliorano significativamente la robustezza e l'affidabilità delle valutazioni della probabilità di collisione in presenza delle complessità legate alle congiunzioni di satelliti attivi e all'ambiente spaziale incerto. Il metodo WPoC supera gli approcci convenzionali incorporando un'analisi approfondita delle incertezze associate alle posizioni e ai movimenti relativi degli oggetti spaziali, fornendo una misura probabilistica che cattura più efficacemente le relazioni spaziali dinamiche. Parallelamente, il PoM offre una prospettiva anticipativa sull'evoluzione delle probabilità di collisione, facilitando una gestione proattiva delle minacce di collisione. Validati empiricamente con dati provenienti dalla Collision Avoidance Challenge dell'Agenzia Spaziale Europea, entrambi gli approcci hanno mostrato significativi miglioramenti nelle capacità di previsione e nella valutazione del rischio. Questa ricerca non solo amplia le basi teoriche delle metriche di rischio nella SSA, ma propone anche applicazioni pratiche per migliorare i processi decisionali nelle strategie di prevenzione delle collisioni, promuovendo così un futuro più sostenibile per le operazioni orbitali.