Feasibility study of using a satellite Startracker for space debris detection on LEO orbits

Abstract

As atividades espaciais contribuem significativamente para a ciência e tecnologia. Entretanto o aumento das missões gerou o problema dos detritos espaciais, os quais são objetos sem funcionalidade em órbita. A grande concentração de detritos representa um risco, por isso é de suma importância detetá-los. A presente tese estuda a viabilidade de utilizar um star tracker para detetar detritos na LEO. Star tracker é um dispositivo que utiliza imagem de estrelas para extrair a atitude do satélite. Para tanto, foi feito uma revisão da literatura para saber o tamanho, distribuição e magnitude dos detritos e, também, estudar a arquitetura dos stars trackers. Ademais, foram pesquisados diversos algoritmos para a deteção de estrelas e detritos. Escolheu-se o sensor MT9J001 para o sistema óptico e caracterização do ruído foi revisada. Os FOVs foram calculados e determinou-se um valor de 7 para a magnitude limite. O algoritmo de deteção de estrelas escolhido foi o Tetra, o qual consegue deteter padrões de 3 ou 4 estrelas e calcular a atitude com precisão. Uma alteração foi feita para trocar o catálogo original por outro com mais estrelas. Testes foram feitos com os dois catálogos. Para detetar detritos, escolheu-se o ASTRiDE, algoritmo que utiliza informações das bordas dos objetos para diferenciar estrelas de detritos e identificá-los. Realizou-se testes com várias imagens da internet. Com o intuito de calcular a probabilidade de deteção de detritos, primeiro obteve-se o tamanho dos mesmo em função da magnitude limite. Depois calculou-se a distribuição de objetos na esfera celeste. Por fim, determinou-se a probabilidade de deteção para um campo de visão de 1{deg}^2 e para o FOV do sistema em toda a esfera celeste bem como para regiões específicas. Finalmente, fotografias foram feitas utilizando o telescópio e a lente para testar o funcionamento do sistema.

Space activities contribute significantly to science and technology. However, the increase in missions has created the problem of space debris, which are nonfunctional objects in orbit. The large concentration of debris represents a risk, so it is of utmost importance to detect it. This thesis studies the feasibility of using a star tracker to detect debris in LEO. Star tracker is a device that uses star imaging to extract the satellite attitude. Thus, a literature review was done to know the size, distribution and magnitude of the debris and study the star trackers’ architecture. In addition, several algorithms for the detection of stars and debris were searched. The MT9J001 sensor was chosen for the optical system, and noise characterization was reviewed. The FOVs were calculated, and a value of 7 was determined for the limiting magnitude. The star detection algorithm chosen was Tetra, which can detect patterns of 3 or 4 stars and then calculate the attitude accurately. A change was made to replace the original catalog with the one with more stars. Then, Tests were made with both catalogs. For detecting debris, ASTRiDE was chosen, an algorithm that uses information from the edges of objects to differentiate stars from debris for identification. Tests were made with several images from the Internet. In order to calculate the probability of debris detection, first, the debris size was obtained as a function of the threshold magnitude. Then the distribution of objects on the celestial sphere was calculated. Finally, the detection probability was determined for a field of view of 1\deg^2 and for the FOV of the system on the celestial sphere and specific orbit regions. At last, photographs were taken using the telescope and lens to test the system.