Position determination of resident space objects via triangulation with two passive-optical staring systems

The number of space objects orbiting the Earth is rapidly increasing. An opportunity to detect and measure the position of space objects are passive optical staring systems, e.g. our system called APPARILLO. While staring systems are capable of measuring highly accurate equatorial coordinates of space objects via an astrometric calibration, they do not provide information on their altitude unless the space object is assumed to fly on a circular orbit. In this work we discuss an approach in which the altitude of a space object is measured via triangulation (simultaneous observation with two staring systems placed at different positions on Earth). Based on theoretical calculations, we estimate that the triangulation with two staring systems can provide the altitude of a typical space object in a low Earth orbit with an accuracy as low as 200 m. This is two orders of magnitude better compared to a simple circular orbit approximation that can be used for a single staring system

Lasertechnik für das Verkehrsmanagement im All: Technologien für eine nachhaltige Raumfahrt

Die stark zunehmende Anzahl an Satelliten ermöglicht großen Fortschritt in der Wissenschaft und Technik und eröffnet neue Möglichkeiten wie ein weltweit verfügbares Internet. Gleichzeitig sind damit Herausforderungen für das Verkehrsmanagement im Weltraum (meist Englisch als Space Traffic Management bezeichnet) verbunden. Simulationen zeigen, dass die Anzahl an Kollisionswarnungen im niedrigen Erdorbit allein durch den Ausbau von 5 Megakonstellationen (Starlink, OneWeb, Amazon Kuiper, Guo Wang und SatRevolution) mit insgesamt ca. 70000 Satelliten etwa um den Faktor 4000 ansteigen wird. Durch weitere Satelliten und zusätzlichen Weltraummüll wird diese Zunahme real weitaus größer sein. Selbst wenn sich Kollisionen durch Ausweichmanöver verhindern lassen, verursachen diese hohe Kosten. Um die Anzahl an notwendigen Ausweichmanövern zu reduzieren und die weiterhin notwendigen Manöver effizient zu machen, ist eine hochpräzise Vermessung der Bahndaten der Weltraumobjekte erforderlich. Je genauer die Bahndaten sind, desto kleiner ist der Abstand in dem die Weltraumobjekte bei gleichem Kollisionsrisiko aneinander vorbeifliegen können. Beim Satellitenlaserranging (SLR) wird die Laufzeit eines gepulsten Lasers vermessen, der von einer Bodenstation emittiert und durch einen am Satelliten befestigten Retroreflektor wieder antiparallel zu dieser zurück reflektiert wird. Dadurch lassen sich millimetergenaue Abstände ermitteln, aus denen die Bahndaten des Satelliten errechnet werden. Da diese Messungen viel präzisiere Daten liefern als derzeit verfügbar, würden ca. 99% aller Ausweichmanöver unnötig werden. In Zusammenarbeit mit der Industrie entwickeln wir eine kompakte und transportable SLR Bodenstation, das miniSLR®. Hiermit konnte kürzlich gezeigt werden, dass trotz der kompakten, kostengünstigen Bauweise und der Nutzung von, gegenüber anderen SLR Stationen, verhältnismäßig langen Laserpulse durch Datenmittelung Millimeter präzise Abstandsmessungen erzielt werden. Um den Nutzen der SLR Technologie für das Space Traffic Management weiter zu erhöhen, arbeiten wir weiterhin an der Entwicklung von polarimetrischem SLR. Dies soll neben der Bahnvermessung auch eine Identifikation von Satelliten (z.B. nach Massenstarts von Kleinsatelliten) ermöglichen. Hierfür werden spezielle Retroreflektoren entwickelt, welche für die Raumfahrt qualifiziert und in zukünftigen Missionen getestet werden sollen

Methods for improving the accuracy of an optical staring system for detecting and locating Earth-orbiting space objects

The number of space objects (satellites and space debris) is continuously growing. Especially, traffic in low Earth orbit (LEO) increases due to the emergence of CubeSats, the deployment of mega constellations as well as debris formation. Space traffic management is mandatory to manage the congested parts of space. Only when space objects are closely monitored, their trajectories can be precisely calculated and operators of active and maneuverable satellites can perform collision avoidance maneuvers. The detection and orbit determination of space objects in LEO is presently mostly achieved via radar measurements. However, passive optical staring systems are emerging as an additional and cost-effective method for detecting space objects. A portable, wide-angle and fully autonomous passive optical staring system known as APPARILLO is being developed at the Institute of Technical Physics of the German Aerospace Center (DLR). This thesis focuses on two complementary approaches that both aim at improving the positional accuracy of detected space objects with passive optical sensors. The first approach improves the along-track error of detected space objects by a new calibration method that uses a pixel-dependent delay between the camera's trigger signal and the actual sensor detection. This delay is measured with a laboratory test setup and is used to correct the tracking data of a test campaign. By comparing the corrected positional data to satellites with highly precise orbits, it is found that the along-track error is reduced by 75 %, reaching a value as low as 22 arcseconds. The remaining error is on a similar level as the cross-track error and is now limited by astrometric calibration inaccuracies. The second approach provides an initial analysis on how several passive optical staring systems can be used together for space traffic management. In particular, it is calculated how accurate the altitude of a satellite can be obtained via triangulation due to a simultaneous observation with two APPARILLOs placed at different locations on Earth. Optimal spacing between two systems of 1324 km are expected to yield an altitude accuracy of 157 m, while even closer distances of 180 km maintain a good accuracy of 600 m. The two approaches of this thesis showcase substantial enhancements in detection accuracy. The pixel-dependent delay correction will be implemented to all existing APPARILLO systems as well as new prototypes foreseen in future work