Observation and Analysis of the Spin Period Variations of Inactive Box-wing Telecommunications Satellites in Geosynchronous Orbit

Abstract

For a number of years, research has been conducted to determine the feasibility of rescue / salvage missions to geosynchronous (GEO) satellites. The success of any such mission would rely upon knowing the satellite’s spin dynamics. In order to determine the true spin dynamics of a satellite, the external forces acting upon the satellite and the difference between the synodic spin rate and sidereal spin rate must be known. The geosynchronous satellite population offers a large selection of research candidates that can be used to study the effects of external forces on their spin dynamics and to determine their true spin rates. From a list of over 1,200 geosynchronous satellites, several inactive “box-wing” satellites were selected for study. The best candidates were unclassified inactive box-wing GEO telecommunications satellites that were detectable with small-aperture telescopes and charge-coupled device (CCD) cameras. These satellites were required to be accessible from the observation site in Sandhurst, Ontario for the majority of the time from March 2012 to March 2013. The satellites chosen for study were Solidaridad 1 (NORAD #22911), Telstar 401 (NORAD #22927), Echostar 2 (NORAD #24313) and Hughes-1 (HGS-1) (NORAD #25126). A comprehensive observation strategy was developed to obtain images of the selected satellites from the chosen observation site. The time between observation sessions was normally several days to two weeks, weather permitting. Image data extraction software was developed in “Matrix Laboratory” (MATLAB) to extract the time tag and satellite flux data from all of the images in a timely manner. The extracted time and flux data was used to produce light curves for each selected satellite. Similar and recurring light curve characteristics were used to identify the selected satellites’ apparent spin periods. The average apparent spin periods ranged from 160 seconds (for Telstar 401) to 1,550 seconds (for HGS-1). The apparent spin periods for all four selected satellites were, for the first time, observed to vary with time. Telstar 401’s and Echostar 2’s apparent spin period variations appeared to vary in a periodic fashion. The spin period variation period of Telstar 401 was estimated to be 290 days. Echostar 2 appeared to have a 364-day spin period variation period. Solidaridad 1’s and HGS-1’s spin period variations were too slow to estimate their periods from the observations made over one year. Outside of this research, little work has been done to determine the cause of these newly observed spin period variations. Satellite operators routinely correct for attitude drift due to solar radiation pressure (SRP) forces acting upon the satellite’s large solar panels. However, once the satellite is no longer active, the spacecraft’s attitude dynamics are no longer being monitored or controlled and therefore are less understood. This thesis explores the external disturbing forces that act to vary an inactive satellite’s apparent spin period.

Pendant de nombreuses années, des études ont étés menées pour déterminer la possibilité de récupération des satellites de missions géosynchrones (GEO). Le succès de telles missions de récupération nécessite la connaissance de la rotation du satellite. Afin d’évaluer la rotation réelle du satellite, les forces externes agissant sur le satellite et la différence entre le taux de rotation synodique et le taux de rotation sidéral doit être connue. Le nombre de satellites géosynchrones offre une large sélection de candidats qui peuvent être utilisés pour l’étude des effets des forces externes sur la rotation des satellites et pour déterminer leur mouvement réel. Plusieurs satellites "box-wing" sont sélectionnés à partir d’une liste de plus de 1200 satellites géosynchrones. Les meilleurs candidats sont des satellites de télécommunications GEO box-wing inactifs que peuvent être détectés avec des telescopes à petite ouverture et des appareils photographiques equips de "charge-coupled device" (CCD). Ces satellites doivent aussi être visible du site d’observation à Sandhurst en Ontario durant la période de mars 2012 à mars 2013. Les satellites choisis pour cette étude sont les satellites Solidaridad 1 (NORAD #22911), Telstar 401 (NORAD #22927), Echostar 2 (NORAD #24313) et Hughes-1 (HGS-1) (NORAD #25126). Une stratégie d’observation exhaustive fût développée pour obtenir les images des satellites choisis à partir du site d’observation. Le temps entre les sessions d’observation varie en général de quelques jours à deux semaines, dépendent des effets météorologiques. Le logiciel de traitement des données est développé avec "Matrix Laboratory" (MATLAB) pour extraire le temps et le flux de données des satellites des images. Les données extraites sont utilisées pour produire des courbes de lumière pour chaque satellite. Des courbes de lumière similaires et périodiques permettent d’identifier la rotation apparente de chaque satellite. Les moyennes des périodes de rotation apparentes vont de 160 secondes (pour Telstar 401) à 1550 secondes (pour HGS-1). La variation temporelle des périodes de rotation apparentes des satellites choisis est observée pour la première fois. Les périodes de rotation de Telstar 401 et Echostar 2 semble varier de façon périodique avec une période de 290 jours et 364 jours respectivement. Les variations temporelles de la période de rotation de Solidaridad 1 et HGS-1 sont trop lente pour pouvoir évaluer leurs périodicités durant une seule année d’observation. En dehors de l’étude présentée ici, il y a peu de recherche visant à déterminer la cause de ces nouvelles observations des variations temporelles des périodes de rotation. Les opérateurs de satellites corrigent systématiquement pour les changements d’attitudes dues aux forces liées à la pression de la radiation solaire (PRS) agissant sur les larges panneaux solaires des satellites. Cependant, une fois que le satellite n’est plus en opération, la dynamique de l’attitude du vaisseau n’est plus suivie ou contrôlée et donc elle est moins bien comprise. Le travail présenté dans cette thèse examine les forces externes perturbatrices qui agissent sur un satellite inactif et font varier sa période de rotation apparente. Cette étude a déterminé que la combinaison entre la pression de la radiation solaire et l’aire effective des panneaux solaire d’un satellite "box-wing" est la cause principale de la variation de l’amplitude de la période de rotation. Un modèle simplifié fût développé considérant un petit décalage (< 1°) de l’orientation relative des panneaux solaires. Cependant, la comparaison de ce modèle avec les valeurs observées de la période de rotations est divergente. Le modèle n’explique pas complètement les variations des périodes de rotation observées et ne prend pas en compte les variations temporelles. De façon à comprendre ces différences, une étude préliminaire des effets du potentiel synodique qui peut avoir contribué aux variations de la période de rotation fût effectuée. Les équations de transformation de la période de rotation synodique à la période de rotation sidérale furent dérivées à l’aide de trois scénarios. Ces trois scénarios prennent en compte les orientations spécifiques de l’axe de rotation du satellite relativement à une surface réfléchissante. Le second scénario et le troisième scénario peuvent expliquer le restant des variations de l’amplitude.