Προσδιορισμός της τροχιάς του συστήματος διπλού αστεροειδή Δίδυμος-Δίμορφος με χρήση φωτογραφιών από το διαστημόπλοιο Hera
Creators: name: Ρετσέλης, Αναστάσιος-Φαίδων Δημητρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: διαπίστωση τροχιάς με χρήση εικόνων
βελτιστοποίηση με χρήση μεταευριστικών αλγορίθμων
αξιοποίηση διαστημικών αποστολών κοντά σε αστεροειδείς
image-based orbit determination
use of metaheuristic algorithms in optimization
use of spacecraft near small bodies

description: Οι αστεροειδείς του ηλιακού συστήματος αποτελούν αναμφισβήτητα έναν από τους μεγαλύτερους κινδύνους για τον πλανήτη Γη. Μια σύγκρουση με έναν αρκούντως μεγάλο αστεροειδή και τη Γη θα έχει καταστροφικές συνέπειες για τη Γη και τους κατοίκους της. Προς αποφυγή ενός τέτοιου σεναρίου, αρκετές αποστολές και τεχνικές πλανητικής άμυνας έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία. Μια λύση που δείχνει ωριμότητα ως προς την δυνατότητα υλοποίησης της είναι η τεχνική κινητικής πρόσκρουσης, στην οποία ένα διαστημόπλοιο προσκρούει σε έναν αστεροειδή με υψηλή ταχύτητα. Σύμφωνα με την αρχή διατήρηση της ορμής, η ταχύτητα του αστεροειδή αλλάζει ελάχιστα λόγω της πρόσκρουσης, αν σχεδιαστεί όμως σωστά είναι αρκετή για να διασφαλίσει πως ο αστεροειδής θα αποφύγει την σύγκρουση με τη Γη. Η αποστολή AIDA είναι η πρώτη πειραματική προσπάθεια της ανθρωπότητας στο πεδίο της πλανητικής άμυνας και θα εξετάσει την τεχνική της κινητικής πρόσκρουσης στο σύστημα διπλού αστεροειδή Δίδυμος-Δίμορφος. Αποτελείται από δύο διαστημόπλοια: α) Το DART, το οποίο θα προσκρούσει στον Δίμορφο (ο οποίος είναι το δευτερεύον σώμα του συστήματος διπλού αστεροειδή) και β) το Hera, το οποίο θα φτάσει στο σύστημα Δίδυμος-Δίμορφος μετά την πρόσκρουση του DART στον Δίμορφο, με στόχο να διερευνήσει περαιτέρω τη σύγκρουση, να ανακαλύψει την σύσταση των δύο αστεροειδών και να πραγματοποιήσει τον δυναμικό χαρακτηρισμό τους συστήματος εκτελώντας προσδιορισμό τροχιάς με τα όργανα του. Ορμώμενη από τους στόχους της αποστολής, η διπλωματική αυτή εξετάζει την πιθανότητα να πραγματοποιηθεί ο προσδιορισμός της τροχιάς χρησιμοποιώντας αποκλειστικά φωτογραφίες που τραβήχτηκαν από το Hera. Δεδομένης της τωρινής έλλειψης φωτογραφιών, μιας και το Hera θα φτάσει στο σύστημα διπλού αστεροειδή στα τέλη του 2026, χρησιμοποιήθηκαν προσομοιωμένες εικόνες. Το πρόβλημα του προσδιορισμού της τροχιάς στη συνέχεια εκφράζεται ως ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης, στο οποίο αναζητείται το ολικό ελάχιστο μιας συνάρτησης με τη χρήση του ευριστικού αλγορίθμου των εξελικτικών κέντρων (ECA). Τα αποτελέσματα είναι αρκετά ενθαρρυντικά, καθώς ο αλγόριθμος ταυτοποιεί την τροχιά του Δίμορφου με μέσο απόλυτο ποσοστιαίο σφάλμα για κάθε μεταβαλλόμενο τροχιακό στοιχείο κάτω του 1%. Τέλος, χρησιμοποιώντας το wobble του Δίδυμου, η μάζα του Δίμορφου μπορεί να ταυτοποιηθεί με ακρίβεια κάτω από 0.1%.
description: Asteroids in the solar system arguably pose one of the greatest threats to planet Earth. An impact between a sufficiently large asteroid and planet Earth will lead to catastrophic consequences for the Earth and its inhabitants. To avoid such a scenario, several planetary defense missions and techniques have been proposed over the years in literature. One solution which shows sufficient maturity to be implemented is the kinetic impact technique, which utilizes a spacecraft crashing into an asteroid at high speeds. Based on the law of conservation of momentum, the velocity of the asteroid is then changed just a little due to the impact which -if planned correctly- will be sufficient to ensure that the asteroid will miss the Earth entirely and nullify the probability of collision. The Asteroid Impact and Deflection Assessment (AIDA) mission is humanity’s first experimental attempt in planetary defense and will attempt to investigate the kinetic impact approach for the binary asteroid system of Didymos-Dimorphos. It consists of two spacecraft: a) DART, which will crash into Dimorphos (the secondary body of the binary asteroid system) and b) Hera, which will arrive at the system after DART’s impact with Dimorphos to investigate the collision further, determine the composition of the two asteroids and accurately characterize the dynamical behavior of the two bodies by performing orbit determination using its instruments. Inspired by Hera’s mission objectives, the possibility of performing image-based orbit determination using solely photographs captured on-board Hera is examined. Considering the lack of actual images due to the fact that Hera is expected to arrive at the binary asteroid system in late 2026, simulated sets of images containing Didymos and Dimorphos are used instead. The orbit determination problem is then transformed into an optimization problem, where the global minimum of a cost function is searched using a metaheuristic algorithm called the Evolutionary Centers Algorithm (ECA). Results of this approach are extremely promising, demonstrating that the algorithm can accurately determine the orbit of Dimorphos with a mean absolute percentage error below 1% for each osculating orbital element. Finally, using Didymos' wobble, the mass of Dimorphos can also be determined with this process with an accuracy lower than 0.1%.