Launch operations for direct ascent trajectory and re-entry vehicles

The emergence of anti-satellite (ASAT) weapons and suborbital threats, and the proliferation of launch capabilities have elevated the importance of effective launch detection, trajectory modelling, and re-entry operations. This thesis explores the boundaries of space launch operations monitoring, which is particularly relevant for Space Domain Awareness (SDA) services. The work focuses on the dynamics of three representative classes of launch systems: ballistic missiles (BM), direct-ascent anti-satellite (ASAT) weapons, and orbital launch (OL) vehicles. These systems share common ascent characteristics while serving distinct operational purposes, making their reliable discrimination a key challenge. This project develops a trajectory modelling approach capable of reproducing representative boost phase behaviours for the different launch system classes. By identifying the key vehicle and guidance parameters that govern the ascent profile and systematically varying them, a comprehensive catalogue of launch trajectories is generated, serving as the foundation for subsequent identification, classification, and system-level analyses. A measurement simulation framework is introduced to emulate real-time observations from a sensor network. This enables the evaluation of a developed trajectory classification algorithm under realistic measurement conditions and provides insight into the requirements imposed on sensor capabilities. In addition, these analyses are complemented by a mission-level study of satellite constellation designs. The coverage performance of different HEO–GEO configurations is investigated to connect launch detection considerations with global surveillance objectives and to assess the feasibility of achieving continuous, multi-satellite coverage through appropriate constellation design.

L’emergere di armi anti-satellite (ASAT) e minacce suborbitali, insieme alla proliferazione delle capacità di lancio hanno aumentato l’importanza di un rilevamento efficace dei lanci, modellazione delle traiettorie e operazioni di rientro. Questa tesi esplora i confini del monitoraggio delle operazioni di lancio spaziale, particolarmente rilevante per i servizi di Space Domain Awareness (SDA). Il lavoro si concentra sulla dinamica di tre classi rappresentative di sistemi di lancio: missili balistici (BM), armi anti-satellite a salita diretta (ASAT) e veicoli di lancio orbitale (OL). Questi sistemi condividono caratteristiche comuni di ascesa pur servendo scopi operativi distinti, rendendo la loro discriminazione affidabile una sfida chiave. Questo progetto sviluppa un approccio di modellazione delle traiettorie in grado di riprodurre comportamenti rappresentativi della fase di spinta per le diverse classi di sistemi di lancio. Identificando i principali parametri del veicolo e di guida che governano il profilo di ascesa e variandoli sistematicamente, viene generato un catalogo completo di traiettorie di lancio, servendo come base per successive analisi di identificazione, classificazione e a livello di sistema. Viene introdotto un framework di simulazione delle misure per emulare le osservazioni in tempo reale da una rete di sensori. Ciò consente la valutazione di un algoritmo di classificazione delle traiettorie sviluppato in condizioni di misura realistiche e fornisce informazioni sui requisiti imposti alle capacità dei sensori. Inoltre, queste analisi sono completate da uno studio a livello di missione dei design delle costellazioni satellitari. Si indaga la performance di copertura di diverse configurazioni HEO–GEO per collegare le considerazioni sul rilevamento dei lanci con gli obiettivi di sorveglianza globale e per valutare la fattibilità di raggiungere una copertura continua multi-satellite attraverso un design appropriato della costellazione.