Optimisation du pistage de satellites

Optimizing satellite tracking

• Auteur / Autrice : Eliot Stein
• Direction : Frédéric Cassaing
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ONERA - Département Traitement de l'information et systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Surveillance de l'espace

Astrodynamique

Estimation

Contrôle optimal

Détermination d'orbite

Prédiction d'orbite

Space Situational Awareness

Astrodynamics

Estimation

Optimal control

Orbit determiantion

Orbit prediction

Résumé

La surveillance de l'espace est devenue un enjeu critique, compte-tenu des services rendus (localisation, télécommunications, gestion de crises) alors que le nombre d'objets en orbite augmente fortement. Depuis plusieurs décennies, l'ONERA a acquis une expertise reconnue en surveillance de l'espace, étayée par le développement de deux catégories de systèmes de pointe. Il s'agit d'une part de moyens d'orbitographie, comme le radar de surveillance des orbites basses GRAVES ou le prototype de station optique actuellement construit pour étendre la couverture aux orbites moyennes à hautes. Ces systèmes sont à grand champ, pour maximiser le nombre d'objets détectés et en dresser un catalogue permettant de les identifier et d'anticiper leurs positions. D'autre part, l'ONERA développe des moyens de caractérisation à haute résolution et à faible champ. Pour ceux-ci, la performance est d'autant meilleure qu'il est possible de prévoir la position des objets observés, c'est-à-dire que les moyens d'orbitographie sont précis. Une fois un satellite détecté et les observables mesurées (selon les capteurs : projections de position ou de vitesse), l'orbitographie consiste à estimer ses paramètres orbitaux à partir de plusieurs mesures le long de sa trajectoire ainsi que d'un modèle du potentiel de gravité et des autres contributeurs. La qualité de ce pistage est fortement dépendante de la précision des mesures et des modèles, du nombre de cibles ayant des paramètres voisins (problématique d'association), de la diversité des capteurs employés (problématique de fusion) et du compromis entre la précision visée et le temps de calcul. Ainsi, la grande précision de notre station optique (une fraction de seconde d'arc) conjuguée au besoin d'anticipation fine nous pousse à optimiser cette étape de pistage. L'objectif de la thèse est d'identifier les algorithmes de pistage les mieux adaptés à la dynamique des satellites et aux mesures optiques, de raffiner au maximum les modèles associés sous contrainte de temps de calcul, de les mettre en œuvre au sein d'un simulateur numérique puis sur les données réelles (de nos capteurs, voire d'autres), afin d'élaborer in fine un catalogue sur des cibles de références et des outils de prévision de position. Les paramètres libres de la séquence de mesure elle-même, comme les instants ou les paramètres d'observation sur des cibles connues, seront optimisés (planification). Enfin, la précision de ces outils sera évaluée sur des satellites de référence ou par l'observation de conjonction stellaires.

Space surveillance has become a critical issue, given the services it provides (positioning, telecommunications, crisis management) at a time when the number of orbiting objects is sharply rising. For decades, ONERA has acquired recognised expertise in space surveillance, underpinned by the development of two categories of advanced systems. The first category performs orbitography, such as the GRAVES low-Earth orbit surveillance radar and the prototype optical station CICLOPE currently being built to extend coverage to medium and high orbits. These systems have a wide field to maximise the number of detected objects and compile a catalogue that can be used to identify them and anticipate their positions. ONERA is also developing high-resolution, small-field characterisation tools. For these, performance increase with the capacity to predict the position of the observed objects, i.e. the accuracy of orbitographic estimation. Once a satellite has been detected and its observables measured (depending on the sensors: position or velocity projections), orbitography consists of estimating its orbital parameters from a number of measurements along its trajectory as well as a model of the gravity potential and other contributors. The quality of this tracking is highly dependent on the accuracy of the measurements and models, the number of targets with similar parameters (association issues), the diversity of sensors used (fusion issues) and the trade-off between accuracy and computation time. Thus, the high accuracy of our optical station (a fraction of an arc second), combined with the need for fine anticipation leads us to optimise this tracking stage. The aim of the thesis is to identify the tracking algorithms best suited to satellite dynamics and optical measurements, to refine the associated models as much as possible under computation time constraints, implement them in a numerical simulator and then on real data (from our own sensors or others), in order to ultimately develop a catalogue of reference targets and position position prediction tools. The free parameters of the measurement sequence itself, such as the instants or observation parameters on known targets, will be optimised (planning). Finally, the accuracy of these tools will be evaluated on reference satellites or by observing stellar conjunctions.