This paper investigates the feasibility of a rendezvous with an uncooperative space object using only optical sensors and takes a closer look at the performance of different algorithms used to estimate an object’s orbit. The ability to perform a rendezvous with an uncooperative target is critical for a wide variety of future missions, such as space debris removal. The main satellite, referred to as chaser, has to determine precisely the orbit of the space object of interest, referred to as target. After some elements of mission analysis, this report dives into the angles-only method of Initial Orbit Determination developed by Gooding, which is a method well suited for space-based observations. It gives access to the osculating orbit at the time of measurements. Then, the estimated orbit is refined using a Batch Least Squares algorithm. The accuracy of the orbit determination depends on the number and precision of the measurements. An optimal strategy for the distribution of the measurements on orbit is to take measurements regularly throughout the whole orbit. The constraints of eclipses and ground stations contacts are taken into account. Finally, the Rendezvous and Proximity Operations are explored in a mission scenario. / Detta examensarbete undersöker möjligheten av ett rendezvous med ett icke-samarbetsvilligt rymdobjekt som endast använder optiska sensorer och tar en närmare titt på prestandan hos olika algoritmer som används för att uppskatta ett objekts omloppsbana. Förmågan att utföra ett möte med ett icke samarbetsvilligt mål är avgörande för en mängd olika framtida uppdrag, till exempel borttagning av rymdskrot. Den viktigaste satelliten, kallad chaser, måste exakt bestämma omloppsbanan för rymdföremål av intresse, kallad target. Efter några element av uppdragsanalys, dyker denna rapport in i den vinkelbaserade metoden för initial omloppsbestämning som utvecklats av Gooding, som är en metod som är väl lämpad för rymdbaserade observationer. Den ger tillgång till den osulerande banan vid tidpunkten för mätningarna. Därefter förfinas den beräknade omloppsbanan med hjälp av minstakvadratmetoden. Noggrannheten i omloppsbestämningen beror på antalet mätningar och deras precision. En optimal strategi för fördelningen av mätningarna i omloppsbana är att göra mätningar regelbundet över hela omloppsbanan. Begränsningarna i förmörkelser och markstationernas kontakter beaktas. Slutligen utforskas mötes- och närhetsoperationer i ett uppdragsscenario.

Space debris is becoming an increased threat to the future use of space orbits. In order to counteract this threat, the field of Space Situational Awareness (SSA), and the sub-field Space Surveillance and Tracking (SST), have been developed to gather knowledge about the space debris and satellites surrounding Earth. The orbit of a satellite can be determined by acquiring images of the satellite using a telescope and a sensor. During this thesis, a tool has been programmed in Python. This tool can simulate these types of images of satellite passes, at a given time and location. The simulator takes the system parameters of the telescope and camera sensor into account, together with several different types of disturbances which affect these images. The project has been carried out at the Swedish Space Corporation (SSC), which recently launched an SSA initiative. They plan to use these images to learn more about their upcoming observations, and possibly to test an orbit determination software. / Rymdskrot är ett allt mer påtagligt hot mot den framtida användningen av om-loppsbanor i rymden. För att motverka detta hot har det blivit viktigt att kartlägga rymdlägesbilden och de objekt som ligger i omloppsbana runt jorden. Detta görs genom att observera, identifiera och banbestämma satelliter. En satellits omlopps-bana kan bestämmas genom att ta bilder av satelliten med hjälp av ett teleskop och en sensor. Under detta examensarbete har ett verktyg för att kunna simulera sådana bilder utvecklats. Simuleringsverktyget har programmerats i Python och kan simulera bilder av satellitpass vid en given tidpunkt och från en given plats. Verktyget tar hänsyn till systemparametrarna för teleskopet och kamerasensorn, samt effekterna av ett flertal olika typer av störningar som påverkar dessa bilder. Projektet har genomförts hos företaget Swedish Space Corporation (SSC), som nyligen lanserade ett initiativ för att bättre förstå rymdlägesbilden. De planerar att använda dessa bilder för att lära sig mer om deras kommande observationer, samt att eventuellt testa en programvara för att bestämma banparametrar.

The increasing reliance on space infrastructure and its rapid expansion necessitate the development and enhancement of tools for space debris and fragmentation research. Accurate prediction of the risks associated with satellite fragmentation requires comprehensive understanding of the dynamics involved. To address this need, the widely used NASA Standard Breakup Model (SBM) is employed in this thesis to predict fragment characteristics resulting from breakup events. Additionally, a novel method is introduced to determine the direction of these fragments, something not directly covered by the SBM. Furthermore, the principle of kinetic gas theory is applied to calculate the overall, long-term collision risk between debris and a predetermined satellite population. The results from this reveal the limitations of the SBM in accurately simulating fragmentations for certain satellite types. However, the newly implemented fragment directionality method aligns well with observed data, suggesting its potential for further research. Similarly, the risk model exhibits strong correspondence with ESA's MASTER, a model used for assessing collision risks with debris, with the deviations likely due to different impact velocity models used. Finally, the validated fragmentation and risk models are combined, and the combined model is used to analyse a real-world fragmentation event. / Det ökande beroendet av rymdinfrastruktur, samt dess snabba expansion kräver utveckling och förbättring av verktyg för forskning och analys kring rymdskräp och fragmentering. För att förstå risken förknippad med satellitfragmentationer så krävs förståelse för den involverade dynamiken. För att tillgodose detta används NASA:s Standard Breakup Model (SBM) i denna avhandling för att bestämma fragmentegenskaper som bildas från olika sorters fragmentationshändelser. Dessutom introduceras en ny metod för att bestämma riktningen för dessa fragment, något som inte direkt täcks av SBM. Dessutom tillämpas principen för kinetisk gasteori för att beräkna den totala, långsiktiga kollisionsrisken mellan rymdskrot och en förutbestämd satellitpopulation. Resultaten från detta avslöjar SBM:s begränsningar när det gäller att simulera fragmenten för vissa satellittyper. Hursomhelst så kan man se att den nyligen implementerade fragmentriktningsmetoden stämmer väl överens med den observerade datan, vilket tyder på dess potential för ytterligare forskning. På samma sätt uppvisar riskmodellen överensstämmelse med ESA:s MASTER, en modell som används för att bedöma kollisionsrisker med rymdskrot, där avvikelser sannolikt beror på att olika kollisionshastighetmodeller används. Slutligen kombineras de validerade fragmenterings- och riskmodellerna, som sedan används för att bidra med analyser till en riktig fragmentationshändelse.