Synthesizing Spacecraft Ground Truth Spectra Using Homogeneous Material Spectral BRDFs and Faceted CAD Models

Abstract

Resident space objects appear as unresolved point sources in most cases when viewed using ground-based optical telescopes. The measured reflectance spectra of these objects are products of the reflected solar spectrum and their surface material composition, and are a function of the illumination and observation geometry of their illuminated and observable surfaces, atmospheric absorption and scattering effects, and telescope/detector performance. Correct interpretation of these spectra requires a complete optical ground truth characterization of the spacecraft. This is difficult to obtain due to the challenges associated with limited access to completed spacecraft immediately before launch. Systems that produce a synthetic optical spacecraft ground truth characterization, using homogeneous material reflectance properties applied to computer models, present an attractive solution to this problem as they are not impeded by these difficulties.

There are presently systems that model the ground truth spectra of spacecraft, however, they are not peer-reviewed nor commercially or publicly available, leaving the validity of their simulated quantities in question. The most common deficiency of these systems is their dependence on misunderstood functions that inaccurately model material reflection phenomena. The quantity that best describes spectral reflectance is the spectral bidirectional reflectance distribution function (sBRDF), a function of wavelength and four illumination and observation angles, able to reproduce measured changes in intensity and spectral features. All materials possess their own unique sBRDF allowing, in principle, for the reflecting material to be directly inferred from its reflectance spectrum properties.

This thesis presents the development of an open-source system to synthesize the sBRDF of spacecraft, which may be utilized to simulate quantities useful for the surface composition characterization of unresolved objects. This research required: the establishment of a homogeneous material reflectance database, an approach to represent the complex surface properties of spacecraft using a computer model, and the derivation of a mathematical algorithm to compute the overall sBRDF of the subject depending on its illumination and observation geometry. The efficacy of the synthetic ground truth system was established through a comprehensive verification process comprised of a series of experiments. The project concluded by synthesizing the sBRDF of the CanX-1 spacecraft engineering model (EM), which was then used to simulate other quantities useful for its surface composition characterization.

Les objets spatiaux en orbite apparaissent comme des sources ponctuels non-résolus dans la plupart des cas lorsqu’ils sont observés avec des télescopes terrestres. La réflectance spectrale de ces objets qui est mesurée est un produit du spectre solaire, de la réflectance des matériaux se trouvant à la surface de l’objet, de la géométrie d’illumination et d’observation, des effets atmosphériques ainsi que de la performance du télescope utilisé. Idéalement, une interprétation exacte des spectres de réflectance de l’objet spatial en orbite terrestre requerrait la caractérisation au sol de cet objet avant son lancement dans l’espace, ce qui est pratiquement très difficile d’obtenir. Une solution potentielle à ce problème est l’utilisation de système informatique étant en mesure de générer des mesures de références d’un objet spatial à partir de son modèle CAD ainsi que de spectres de matériaux homogène se trouvant à sa surface.

Il y a pr\'{e}sentement quelques systèmes pouvant synth\'{e}tiser des mesures de r\'{e}f\'{e}rences d’un objet spatial par contre leurs performances n’ont pas subis d’\'{e}valuation et ils ne sont pas disponibles au public g\'{e}n\'{e}ral. De plus, d’après les quelques textes d\'{e}crivant ces systèmes, ces systèmes utilisent des spectres de mat\'{e}riaux qui ont \'{e}t\'{e} acquis sans aucune consid\'{e}ration de la g\'{e}om\'{e}trie d’illumination et d’observation. La quantit\'{e} physique qui d\'{e}crit le mieux les caract\'{e}ristiques de r\'{e}flexions spectrales est la fonction de distribution de r\'{e}flexion bidirectionnelle spectrale. Cette fonction est d\'{e}pendante de la longueur d’onde ainsi que des quatre angles n\'{e}cessaires pour d\'{e}finir la g\'{e}om\'{e}trie d’illumination et d’observation.

Cette thèse pr\'{e}sente le d\'{e}veloppement du système open-source pour synthèse de mesures de r\'{e}f\'{e}rences de spectres satellites pouvant être utilis\'{e}es pour simuler des quantit\'{e}s utilis\'{e}es pour la caract\'{e}risation de satellites non r\'{e}solus. Cette recherche a donc requise : le d\'{e}veloppement d’une base de donn\'{e}es de spectres de r\'{e}flectance de mat\'{e}riaux homogènes de satellites, un approche pour repr\'{e}senter les propri\'{e}t\'{e}s de surface d’un satellite à partir d’un modèle informatique, et finalement l’\'{e}laboration d’un algorithme pour calculer la r\'{e}flectance du satellite pour une g\'{e}om\'{e}trie d’illumination et d’observation donn\'{e}e. La performance du système qui a \'{e}t\'{e} cr\'{e}\'{e} pendant ce projet fut \'{e}valu\'{e} par un processus de validation comprenant une s\'{e}rie d’exp\'{e}riences divers. Une fois la validation du système obtenu, le système fut utilis\'{e} pour obtenir les signatures spectrales du modèle d’ing\'{e}nierie du nanosatellite CanX-1 pour diff\'{e}rentes g\'{e}om\'{e}tries d’illumination et d’observation. Ces r\'{e}sultats furent ensuite utilis\'{e}s pour produire les quantit\'{e}s physiques utiles pour la caract\'{e}risation de la composition de la surface du modèle de CanX-1.