Space Domain Awareness Using High Frequency Line of Sight and Ionospheric Correction Methods

Abstract

Space has become an increasingly active operational domain for both the private and public sectors. It is vital that the Department of National Defence (DND) has an accurate means to maintain visibility and control over their deployed space assets, as well as surrounding threats. Space Domain Awareness (SDA) is a concept that refers to the surveillance and tracking of deployed space assets and other objects to ensure operational security. Current methods of SDA include the use of ground and spaceborne optical telescopes, as well as radars operating in the upper frequency bands. Two Line Element sets (TLEs) are the most accessible means of orbital data and provide orbital position predictions with an accuracy of up to 1 km in position and 1 m/s in velocity. The growing popularity of smaller spacecrafts, such as CubeSats and micro-satellites, as an economical means to conduct space operations, has increased the need for more accurate SDA. This thesis tested the feasibility of using High Frequency (HF) radar to achieve accurate range and radial velocity estimations using Line of Sight (LoS) propagation and target detection. The International Space Station (ISS) was selected as the target, due to its large size and lower orbiting altitude. The operating frequency of 20 MHz was used to pierce the ionosphere and illuminate the selected target. Range-Doppler maps were produced with collected measurements, and corrections were applied to compensate for atmospheric and filter errors. The range errors were calculated using the Total Electron Content (TEC) estimations from Australian open-source software Provision of High-Frequency Raytracing Laboratory for Propagation Studies (PHaRLAP). The effect of the ionosphere at different levels of solar activity were compared via a night transmission period and a day transmission period. It was found that the night-time transmissions had overestimated TECs and corrections were not required, whereas the day-time transmissions measurements were found to be greatly affected by the larger TECs. The day-time transmissions produced estimated ionospheric range delays of up to 90 km and Doppler corrections up to 45 Hz. The night-time transmissions had average delays of 30 km and Doppler corrections of a maximum 15 Hz. The final range measurements after corrections had a Root Mean Square Error (RMSE) of 61 km over a 100 second period of visibility during day transmission and 28 km over a 450 second period during the night transmission. With such high range residuals, it was found that HF is unsuitable for accurate range measurements unless better ionospheric correction methods are developed and more intensive signal processing techniques are applied. However, the Doppler measurements for both the night and day transmission produced residual RMSE of less than 10 Hz. The night transmission range rate residuals had a RMSE of only 85 m/s, which is within the margin of error of the TLE accuracy. This suggests that HF can be used for accurate orbit determination using Doppler measurements.

L'espace est devenu un domaine opérationnel de plus en plus actif pour les secteurs privé et public. Il est essentiel que le Ministère de la Défense Nationale (MDN) dispose de moyens précis pour maintenir la visibilité et le contrôle de ses ressources spatiales déployées, ainsi que des menaces environnantes. La veille spatiale (SDA) est un concept qui fait référence à la surveillance et au suivi des actifs spatiaux déployés et d'autres objets pour assurer la sécurité opérationnelle. Les méthodes actuelles de SDA comprennent l'utilisation de télescopes optiques terrestres et spatiaux, ainsi que de radars fonctionnant dans les bandes de fréquences supérieures. Les paramètres orbitaux à deux lignes (TLE) sont les moyens les plus accessibles de données orbitales et fournissent des prévisions de position avec une précision allant jusqu'à 1 km en position et 1 m/s en vitesse. La popularité croissante des engins spatiaux plus petits, tels que les CubeSats et les micro-satellites, en tant que moyen économique de mener des opérations spatiales, a augmenté le besoin d'une SDA plus précise. Cette thèse a testé la faisabilité d'utiliser des transmissions radar haute fréquence (HF) pour obtenir des estimations orbitales précises en utilisant la propagation en ligne de mire (LoS) et la détection de cible. La Station Spatiale Internationale (ISS) a été choisie comme cible, en raison de sa grande taille et de sa faible altitude en orbite. La fréquence de fonctionnement de 20 MHz a été utilisée pour percer l'atmosphère et illuminer la cible sélectionnée. Des cartes Distance-Doppler ont été produites avec les mesures collectées, et des corrections ont été appliquées pour compenser les erreurs atmosphériques et de filtre. Les erreurs de distance ont été calculées à l'aide des estimations du contenu total des électrons (TEC) du logiciel libre australien Provision of High-Frequency Raytracing Laboratory for Propagation Studies (PHaRLAP). L'effet de l'ionosphère à différents niveaux d'activité solaire a été comparé par une période de transmission nocturne et une période de transmission diurne. Il a été constaté que les transmissions nocturnes avaient surestimé les TEC et que des corrections n'étaient pas nécessaires, alors que les mesures des transmissions diurnes se sont avérées grandement affectées par les TEC plus grands. Les transmissions diurnes ont produit des retards de portée ionosphérique estimés allant jusqu'à 90 km et des corrections Doppler jusqu'à 45 Hz. Les transmissions nocturnes avaient des retards moyens de 30 km et des corrections Doppler d'un maximum de 15 Hz. Les mesures de distance finales après corrections avaient une racine de l'erreur quadratique moyenne (REQM) de 60,98 km sur une période de visibilité de 100 secondes pendant la transmission diurne et de 27,6 km sur une période de 450 secondes pendant la transmission nocturne. Avec des valeurs résiduelles aussi élevées, il a été constaté que HF ne convient pas pour des mesures de distance précises à moins que de meilleures méthodes de correction ionosphérique ne soient développées et que des techniques de traitement du signal plus intensives ne soient appliquées. Cependant, les mesures Doppler pour la transmission nocturne et diurne ont produit une REQM résiduelle inférieure à 10 Hz. Les résidus de taux de distance de transmission nocturnes avaient un REQM de seulement 85 m/s, ce qui est dans la marge d'erreur de la précision TLE. Cela suggère que HF peut être utilisé pour une détermination précise de l'orbite à l'aide de mesures Doppler.