Use of spacecraft onboard sensors for autonomous collision avoidance

The space population is rapidly growing and so is the likelihood of in-orbit collisions, making space operations always more complicated and costly. The current process behind spacecraft collision avoidance mainly relies on surveillance data provided by ground-based sensors. These data contain uncertainties that largely affect collision avoidance decisions, leading to execute maneuvers in a conservative way, i.e., much more frequently than necessary. Whenever a maneuver is performed, some propellant is lost to move the satellite and on-board science instruments are typically switched off, causing a temporary interruption of the nominal operations. Therefore, especially in view of the future levels of space traffic, improving the quality of orbital information is essential to reduce the rate of unnecessary maneuvers and improve the cost-effectiveness of space operations. To reduce positional uncertainties, this thesis investigates the use of onboard sensors to enable satellites, whenever at risk of collision, to autonomously observe the hazardous objects during the orbits before the Time of Closest Approach (TCA). The acquired data would be processed directly onboard to refine the positional knowledge of the secondary object, starting from initial orbital estimates uplinked from the ground, ultimately leading to an autonomous maneuver decision. Space-based observations can improve the positional accuracy for two main reasons: 1) they are not affected by atmospheric issues such as diffraction, aberration or turbulences, and 2) compared to ground-based observations, they can be made much closer to the TCA (e.g. 0.5-1.5 orbits before the event), which significantly improves the final prediction accuracy. This thesis provides a feasibility study and performance assessment for the proposed avoidance system by addressing multiple technical aspects. Firstly, an in-depth study of the orbital dynamics of conjuncting objects in Low Earth Orbit (LEO) is performed to characterize potential observation windows arising during the time leading up to TCA. The analysis focuses on key features that will help determining the most suitable sensing technology, including the average number of observation opportunities, their duration, relative distances between objects, and others. This is done by reconstructing and analyzing the trajectory evolution for thousands of historical conjunction events, starting from Two-Line Element sets and using a Simplified General Perturbations 4 model for the propagation. Following an initial investigation of potential onboard sensor technologies, the results of the previous study narrow the focus to the most feasible option, which turns out to be electro-optical sensors. A more detailed study is then conducted on these sensors through a parametric analysis, mapping their in-orbit detection performance across a range of possible parameters. Particularly, the detection concept is simulated in a Matlab-System Tool Kit environment across hundreds of space-to-space observational scenarios, modeling various imaging systems of different quality. Unlike works from other authors based on analytic models of the apparent magnitude and Signal-to-Noise Ratio (SNR), realistic synthetic images of the simulated scenes are generated through commercial software, which are then post-processed to derive the SNR of the detected targets and to calculate the detection probability for each considered sensor. Finally, for the limited set of feasible sensor options identified, astrometry and orbit determination analyses are conducted to assess whether and to what extent successful in-orbit observations can improve prediction accuracy, thereby reducing maneuver rates. A few conjunction case studies are first set up using the environment developed in the previous step. For each synthetic image, plate-solving tools are employed to map pixel coordinates to sky coordinates using mathematical transformations, enabling the extraction of orbital information for detected targets, including associated uncertainties. The resulting measurements are then used to simulate the process of updating the trajectory estimation for the secondary object in orbit. Orbit determination methods, specifically sequential filters, are applied due to their suitability for real-time updates.

La popolazione nello spazio sta crescendo rapidamente, così come la probabilità di collisioni in orbita, rendendo le operazioni spaziali sempre più complesse e costose. Attualmente, il processo per evitare collisioni tra veicoli spaziali si basa principalmente sui dati di sorveglianza forniti da sensori a terra. Questi dati presentano incertezze significative che influenzano le decisioni legate all'evitamento delle collisioni, portando all'esecuzione di manovre in modo conservativo, cioè molto più frequentemente del necessario. Ogni volta che si effettua una manovra, si consuma del propellente per spostare il satellite e spesso gli strumenti scientifici di bordo vengono spenti, causando un’interruzione temporanea delle operazioni nominali. Per questo motivo, soprattutto in vista dei futuri livelli di traffico spaziale, migliorare la qualità delle informazioni orbitali è fondamentale per ridurre il numero di manovre superflue e rendere più efficaci i costi delle operazioni spaziali. Per ridurre le incertezze nella posizione, questa tesi analizza l'uso di sensori a bordo per consentire ai satelliti, quando a rischio di collisione, di osservare autonomamente gli oggetti pericolosi durante le orbite precedenti al momento di massimo avvicinamento (Time of Closest Approach, TCA). I dati raccolti verrebbero elaborati direttamente a bordo per affinare la conoscenza della posizione dell'oggetto secondario, a partire da stime orbitali iniziali inviate dalla Terra, consentendo infine una decisione autonoma sulla manovra da eseguire. Le osservazioni effettuate dallo spazio possono migliorare l’accuratezza della posizione per due motivi principali: 1) non sono influenzate da problemi atmosferici come diffrazione, aberrazione o turbolenze, e 2) rispetto alle osservazioni da terra, possono essere effettuate molto più vicino al TCA (ad esempio 0,5-1,5 orbite prima dell'evento), migliorando significativamente la precisione delle previsioni finali. Questa tesi presenta uno studio di fattibilità e una valutazione delle prestazioni del sistema di evitamento proposto affrontando diversi aspetti tecnici. Innanzitutto, è stato condotto uno studio approfondito della dinamica orbitale degli oggetti in congiunzione in orbita terrestre bassa (LEO) per caratterizzare le potenziali finestre di osservazione disponibili nei momenti precedenti al TCA. L'analisi si concentra su caratteristiche chiave utili a determinare la tecnologia di sensori più adatta, come il numero medio di opportunità di osservazione, la loro durata, le distanze relative tra gli oggetti, e altri fattori. Ciò è stato realizzato ricostruendo e analizzando l'evoluzione delle traiettorie per migliaia di eventi di congiunzione storici, a partire dai set di elementi orbitali (Two-Line Element) e utilizzando un modello semplificato di perturbazioni generali (SGP4) per la propagazione. Dopo una prima analisi delle possibili tecnologie di sensori a bordo, i risultati dello studio precedente hanno ristretto il campo all'opzione più fattibile, che si è rivelata essere quella dei sensori elettro-ottici. È stato quindi condotto uno studio più dettagliato su questi sensori attraverso un’analisi parametrica, mappando le loro prestazioni di rilevamento in orbita in base a una serie di parametri. In particolare, il concetto di rilevamento è stato simulato in un ambiente Matlab-System Tool Kit attraverso centinaia di scenari di osservazione spazio-spazio, modellando diversi sistemi di imaging di qualità variabile. Diversamente da altri studi basati su modelli analitici della magnitudine apparente e del rapporto segnale-rumore (SNR), sono state generate immagini sintetiche realistiche delle scene simulate tramite software commerciali, successivamente elaborate per derivare l’SNR dei bersagli rilevati e calcolare la probabilità di rilevamento per ciascun sensore considerato. Infine, per il limitato insieme di opzioni di sensori ritenute fattibili, sono state condotte analisi di astrometria e determinazione orbitale per valutare se e in che misura le osservazioni in orbita possano migliorare la precisione delle previsioni, riducendo così il numero di manovre necessarie. Alcuni casi studio di congiunzione sono stati sviluppati utilizzando l’ambiente creato nella fase precedente. Per ciascuna immagine sintetica, sono stati utilizzati strumenti di plate-solving per mappare le coordinate dei pixel in coordinate celesti tramite trasformazioni matematiche, permettendo l’estrazione di informazioni orbitali sugli oggetti rilevati, comprese le incertezze associate. Le misurazioni risultanti sono state quindi utilizzate per simulare il processo di aggiornamento della stima della traiettoria per l’oggetto secondario in orbita. Metodi di determinazione orbitale, in particolare filtri sequenziali, sono stati applicati per la loro idoneità agli aggiornamenti in tempo reale.