https://doi.org/10.83048/drcq-y479">

Date of Award

11-2025

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Space Science (MSSS)

Department

Physics

First Advisor

Aquib Moin

Abstract

The continues increasing density of Resident Space Objects (RSOs) in Earth’s orbit highlights the crucial need for Space Situational Awareness (SSA). This thesis studies the orbital changes in two regions, active low Earth orbit (LEO) satellites and inactive geostationary Earth orbit (GEO) satellites. For LEO satellites we used publicly available data (two line element TLE from Space-Track) and ASTRIAGraph. We verified the orbital elements series and time ordered them, applied a Hampel (median+MAD) mask to semi-major axis, eccentricity vector and inclination to find outliers and exclude them from event detection. The events are then detected using time normalized slopes and step and hold logic then followed by a post level stability test. We computed an operational baseline 𝑎0 for each satellite (median outside guards windows, ±36 h, around flagged events). Event end aligned heatmaps summarized each semi-major axis flagged event. The LEO analysis finds clear step and hold semi-major axis events that are consistent with small maneuvers. For two Spece-Track cases (NORAD 39030 and 43717) we found one reboost followed by a small trim and one single positive step respectively. The calculated indicative Δv values are in centimeters per second to about 0.12 m/s range. Eccentricity vector small changes near these semi-major axis events with coinciding small change in BSTAR suggest a minor attitude or estimator update rather than a separate burn. Applying same detection for inclination we found no inclination adjustment maneuver (IAM) evidence after flagged events failed the stability and RAAN residual tests. For an ASTRIAGraph case (NORAD 44415, cubesat) the large alternating Δa blocks appears to be catalog or an estimator artifact due to the lack of propulsion system. For GEO, we propagated inactive satellites with the Eckstein-Hechler model and show gradual drift under Earth’s geopotential, confirming the need to track non-operative assets. Overall, the workflow demonstrates that filtered baselined TLEs can provide maneuver awareness for SSA.

Arabic Abstract

تحديد الاختلافات في المَعلمات المدارية لعينة من الأقمار الصناعية من خلال تتبع المركبات الفضائية

إن الزيادة المستمرة في كثافة الأجسام الفضائية المقيمة (RSOs) في مدارات الأرض تبرز الحاجة الملحّة إلى الوعي بالموقف الفضائي (SSA) لضمان الاستخدام الآمن والمستدام للفضاء. تدرس هذه الأطروحة التغيّرات المدارية في منطقتين: الأقمار الصناعية الفعالة في المدار الأرضي المنخفض (LEO) والأقمار الصناعية غير النشطة في المدار الجغرافي الثابت .(GEO) بالنسبة لأقمار LEO ، تم استخدام بيانات عامة متاحة للجميع )عناصر الخطّين TLE من موقع Space-Track وبيانات من .(Astriagraph تم التحقق من تسلسل العناصر المدارية وترتيبها زمنيًا، وتطبيق قناع Hampel) الوسيط + الانحراف المطلق الوسيط (MAD على كل من نصف المحور الرئيسي، ومتجه اللامركزية، والميل لاكتشاف القيم الشاذة واستبعادها من الكشف عن الأحداث. بعد ذلك تم كشف الأحداث باستخدام ميل زمني مُطبّع ومنطق الخطوة والثبات، (Step-and-Hold) ، متبوعًا باختبار استقرار المستوى اللاحق. تم حساب خط الأساس التشغيلي a₀ لكل قمر صناعي )الوسيط خارج نوافذ الحماية ± 36 ساعة حول الأحداث المحددة(. كما تم إنشاء خرائط حرارية محاذية لنهاية الحدث لتلخيص كل حدث محدد في نصف المحور الرئيسي . أظهرت نتائج تحليل LEO وجود تغيرات واضحة على شكل " خطوة وثبات " في نصف المحور الرئيسي تتوافق مع مناورات صغيرة. في حالتي Space-Track NORAD 39030) و 43717 ( تم تحديد إعادة رفع للمدار متبوعة بتصحيح صغير، وفي الحالة الثانية خطوة موجبة واحدة نحو مستوى مداري جديد ثابت. تراوحت قيم Δv المحسوبة بين عدة سنتيمترات في الثانية وحتى نحو 0.12 م/ث . كما لوحظت تغيّرات صغيرة في متجه اللامركزية قرب هذه الأحداث مع تغيّر بسيط متزامن في BSTAR مما يشير إلى تحديث في الاتجاه أو في نموذج التقدير بدلاً من حرق دفع منفصل. عند تطبيق نفس طريقة الكشف على الميل (inclination) لم يتم العثور على أي دليل على مناورات تعديل الميل (IAM) حيث فشلت الأحداث المحددة في اختبارات الثبات وبقايا.RAAN أما في حالة Astriagraph NORAD 44415) ، قمر (CubeSat ، فإن الكتل المتناوبة الكبيرة في Δa تُعزى إلى أخطاء في الكتالوج أو في عملية التقدير نتيجة غياب نظام الدفع . أما بالنسبة لمدار GEO ، فقد تم نمذجة حركة الأقمار غير النشطة باستخدام نموذج Eckstein-Hechler ، وأظهرت النتائج انجرافًا تدريجيًا تحت تأثير الجاذبية غير المنتظمة للأرض، مما يؤكد ضرورة متابعة الأجسام غير العاملة في هذا المدار . بشكل عام، تُظهر منهجية العمل أن البيانات المدارية (TLEs) بعد تصفيتها وتحديد خطوط الأساس لها يمكن أن توفر إدراكًا مبكرًا لمناورات الأقمار الصناعية وتدعم تطبيقات الوعي بالموقف الفضائي .(SSA)__

Download

Included in

Physics Commons

COinS