Catalogage de petits débris spatiaux en orbite basse par observations radars isolées

par Thibaut Castaings

Thèse de doctorat en Signal, image, paroles, télécoms

Sous la direction de Michèle Rombaut et de Benjamin Pannetier.

Soutenue le 21-01-2014

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Grenoble Images Parole Signal Automatique (laboratoire) et de ONERA - The French Aerospace Lab / Palaiseau (laboratoire) .

Le président du jury était Olivier Michel.

Le jury était composé de Pascal Faucher, Florent Muller.

Les rapporteurs étaient Thomas Schildknecht, Frédéric Dambreville.


  • Résumé

    Les débris spatiaux sont devenus une menace considérable pour la viabilité des satellites opérationnels en orbite basse. Afin de pouvoir éviter des collisions accidentelles, des systèmes de surveillance de l'espace existent mais sont limités en performances de détection pour les objets de petite taille (diamètre inférieur à 10cm), ce qui pousse à l'étude de nouvelles solutions. Cette thèse a pour objectif d'appuyer la faisabilité d'un système radar au sol utilisant un champ de veille étroit pour le catalogage de petits débris en orbite basse. Un tel système fournirait en effet des observations dites « isolées », c'est-à-dire qu'une orbite n'est pas immédiatement déductible de chacune d'entre elles. Le grand nombre combinaisons nécessaires est alors prohibitif en termes de temps de calcul pour la résolution de ce problème de pistage. Nous proposons dans ces travaux une nouvelle méthode pour initialiser les pistes, c'est-à-dire associer des observations isolées avec une faible ambiguïté et en déduire des orbites précises. Les pistes ainsi obtenues sont combinées et filtrées grâce à un algorithme de pistage multicible que nous avons adapté aux particularités du problème. Avec un taux de couverture de plus de 80 % obtenu en temps réel sur 3 jours pour des scénarios de 500 à 800 objets en plus d'un fort taux de fausses alarmes, les performances de la méthode proposée tendent à prouver la faisabilité du système envisagé. Afin d'extrapoler les résultats obtenus à de plus fortes densités d'observations, nous proposons un modèle de complexité combinatoire calibré sur les performances de l'algorithme aux faibles densités. L'apport d'un second capteur identique est également étudié et met en évidence un point de compromis entre réactivité et complexité combinatoire, ce qui offre un degré de liberté supplémentaire dans la conception d'un tel système.

  • Titre traduit

    Cataloguing small LEO objects using a narrow-fence type radar


  • Résumé

    Space debris have become a significant threat to the viability of operational satellites in Low-Earth-Orbit. In order to avoid accidental collisions, space surveillance systems exist but their detection performance is limited for the small debris (less than 10cm). New solutions are then at study. This thesis aims at supporting the feasibility of a ground-based radar sensor with a narrow-fence type field of regard for the cataloging of the small space debris. Such a system would produce “isolated” observations, that is to say that an orbit is not directly available from each one of them. The large number of potential combinations is then computationally prohibitive for solving this tracking problem. In this work, we propose a new method for track initiation, i.e. associating isolated observations with little ambiguity and deduce accurate orbits. The obtained set of tracks are combined and filtered using an multitarget tracking algorithm that we have adapted to the peculiarities of the problem. With a coverage rate of more than 80% in real-time on 3 days for 500 to 800-objects scenarios in addition of a high false alarm rate, the performance of the proposed method supports the feasibility of the considered system. Aiming at extrapolating the obtained results to higher observation densities, we propose a combinatorial complexity model calibrated with the algorithm performance for low detection densities. The contribution of a second identical sensor is also assessed and reveals a possible trade-off between reactivity and combinatorial complexity, which offers an additional degree of freedom in the design of such a system.


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