El espacio orbital terrestre es un recurso natural de gran valor que ha de ser preservado. Tanto es así que la sociedad moderna se desarrolla alrededor de multitud de servicios, la mayoría de los cuales requieren satélites en órbita terrestre. Entre ellos, cabe destacar los servicios globales de navegación por satélite y la predicción meteorológica, cruciales para la amplia mayoría de la población. Recientemente, los costes de lanzamiento y desarrollo relacionados con la industria espacial han disminuido de forma considerable, haciendo del espacio orbital terrestre un recurso natural relativamente accesible. Aprovechando la situación, numerosas startups y universidades ahora operan satélites pequeños, de hasta media tonelada, en órbita baja. Esta clase de nuevos satélites ha de convivir con una población de objetos ya de por sí numerosa, compuesta no sólo por satélites operativos sino también por cohetes y satélites abandonados, así como fragmentos originados por desintegraciones, explosiones y colisiones. De hecho, son estos últimos los que ponen a la comunidad espacial en alerta ya que, llegado cierto nivel de congestión en el entorno orbital, un único choque podría desencadenar una cascada de colisiones. Para evitar esta situación catastrófica, existen diversas redes de vigilancia espacial que monitorizan el espacio mediante sensores en tierra y en órbita. Los datos obtenidos a través de dichos sensores se procesan y combinan con información procedente de los operadores de satélites para elaborar y actualizar un catálogo detallado de objetos en órbita, garantizando así cierto nivel de conocimiento acerca de la población orbital terrestre. La generación de dicho catálogo puede ayudar a prevenir futuras colisiones orbitales: mediante un análisis individualizado de las posibles conjunciones entre objetos, se pueden identificar pares de objetos potencialmente peligrosos y así informar a los operadores de dichos objetos para que tomen las medidas pertinentes, es decir, maniobren para evitar la colisión. Realizar un seguimiento preciso de la población orbital con sensores de vigilancia es una tarea compleja, y más aún si ha de realizarse de forma autónoma. En particular, la integridad de los catálogos de objetos se ve comprometida cuando éstos realizan maniobras sin que sus operadores las reporten, ya que los sistemas de catalogación automatizados se basan generalmente en el movimiento natural de los satélites o, a lo sumo, modelos de maniobra relativamente sencillos. Esta tesis tiene como principal objetivo avanzar en el desarrollo de herramientas y técnicas para la vigilancia y seguimiento del espacio considerando maniobras desconocidas a priori, centrándose en la definición de modelos de maniobra para objetos espaciales. Uno de los principales problemas asociados a las maniobras orbitales es la correlación de medidas, es decir, ser capaces de discernir si una observación se corresponde con un objeto que ha maniobrado recientemente. En términos generales, es complicado cuantificar la probabilidad de correlación entre una observación y un satélite que que acaba de maniobrar, más aún si se carece de información relativa a las características de maniobrabilidad del objeto en cuestión. En el contexto de esta tesis, se clasifican las maniobras orbitales en función de los distintos tipos de tecnologías de propulsión espacial (química y eléctrica). Los primeros se caracterizan por unos niveles de empuje altos y un uso ineficiente del combustible, mientras que los segundos poseen un consumo de combustible mucho más bajo que repercute en niveles de empuje relativamente pobres. No obstante, debido a la madurez tecnológica de ambos tipos de propulsión, se pueden obtener estimaciones fundamentadas de la capacidad o magnitud de control para ambos casos, por ejemplo, analizando misiones espaciales con uno u otro tipo de motor. Dichas estimaciones pueden ser de gran utilidad para limitar el espacio accesible (o conjunto alcanzable) para un objeto dado un estado u órbita inicial y una ventana temporal, que pueden corresponderse con el último estado orbital conocido y el tiempo transcurrido desde entonces. La aplicabilidad operativa de estos conceptos requiere de métodos computacionales (algoritmos) eficientes para calcular distancias orbitales en términos de control, también llamadas métricas de control, basadas tanto en propulsión química como eléctrica. En otras palabras, la viabilidad de la metodología propuesta en esta tesis pasa por el desarrollo de métricas de control eficientes que capturen las características dinámicas del entorno orbital terrestre y la tecnología propulsiva utilizada en una hipotética maniobra. Con este fin, se han desarrollado dos modelos subrogados para maniobras orbitales, atendiendo a los tipos de propulsión espacial mencionados anteriormente, cuya aplicación no se limita al cálculo de distancias orbitales en términos de control si no que además pueden utilizarse para aproximar los límites del conjunto alcanzable. Dichos modelos subrogados permiten, a su vez, elaborar modelos de maniobra estadísticamente consistentes, con los que cuantificar la probabilidad de que un objeto maniobre en el proceso de correlación de medidas. Finalmente, se puede definir un sistema robusto y automatizado de vigilancia espacial mediante la incorporación de los modelos de maniobra propuestos en un filtro avanzado de seguimiento de múltiples blancos con capacidad de maniobra, capaz de gestionar no sólo la ambigüedad relativa a las maniobras per se, sino también la desaparición y nacimiento de objetos, así como falsas observaciones y detecciones omitidas por los sensores. Los resultados obtenidos en escenarios simulados indican que los métodos propuestos incrementan la capacidad actual de los sistemas de seguimiento, principalmente en lo referente al mantenimiento de custodia de objetos que maniobran. Sin embargo, el impacto dinámico de las maniobras conlleva altos niveles de incertidumbre en el conocimiento del estado orbital de los objetos, hasta el punto de degradar la calidad de los análisis de conjunción. Por lo tanto, aunque los métodos desarrollados son capaces de realizar un seguimiento ininterrumpido de objetos con capacidad de maniobra, se recomienda caracterizar las maniobras basándose en información adicional, tal como datos históricos. La inclusión de heurísticos de este tipo en la definición de los modos de maniobra puede ayudar a reducir de forma significativa la incertidumbre del estado en tiempos cercanos a la maniobra, incrementando de este modo la calidad del catálogo de objetos espaciales y permitiendo análisis de conjunción precisos en presencia de objetos maniobrables.

Earth orbits are a valuable natural resource that shall be preserved. A myriad of services currently relies on orbital stations, most of which support modern human society. To name a few, global navigation satellite services and weather forecasting, crucial for the vast majority of the population, require sensors and stations in Earth orbit. Recently, the space industry has seen a considerable decrease in launch and development costs, so access to space is more affordable than ever before. The latter has opened the gate for new actors in the space domain, such as startups and universities, which now operate small-sized spacecraft (up to 500 kg) at low orbital altitudes. This breed of new satellites adds up to an already numerous background population, composed not only of operative satellites but also derelict rockets and spacecraft as well as fragments originated from break-up events or explosions and in-orbit collisions. It is this last subset of the Earth orbital population that alarms the space community: for a sufficiently high congestion level, a single collision can trigger a cascade of additional events to the point that every object placed in orbit is guaranteed to collide against a neighboring fragment in a relatively short period of time. To prevent this catastrophic situation, the Earth orbital space is continuously monitored by surveillance networks composed of ground and space-based sensors of different types. Data acquired by these sensors is processed and fused with information coming from satellite operators to elaborate and maintain a comprehensive list, or catalog, of objects in Earth orbit. Generating a labelled map of objects can help to prevent future in-orbit collisions: by running one-to-one conjunction analysis over the entire population, it is possible to identify potentially hazardous conjunctions and issue warnings to spacecraft operators so they can take remedial action. Accurately tracking space objects with surveillance sensors is a complex task, especially if it is to be done automatically. In particular, the integrity of space object catalogs is compromised when spacecraft perform maneuvers and their operators do not report them in a timely manner, mainly because automated space surveillance and tracking systems rely on natural satellite motion or very simple maneuver models at best. This thesis is aimed at advancing the tools and techniques required for automated space surveillance and tracking in the presence of unknown maneuvers, emphasizing on the definition of suitable maneuver models for space objects. One of the main problems associated with orbital maneuvers is data association, this is, being able to assess whether certain observation corresponds to a given target following a maneuver. In general, it is not easy to provide evidence supporting measurement to object correlation after or during a maneuvering period, especially if no knowledge regarding the maneuvering characteristics of the target can be assumed a priori. In the context of this thesis, orbital maneuvers are classified according to the different types of space propulsion technologies, namely, chemical and electrical. The former present high-thrust magnitudes and a poor propellant utilization, whereas the latter are significantly more fuel efficient at the cost of lower thrusting forces. Nonetheless, one can derive educated guesses for the expected control magnitudes of orbital maneuvers by analyzing missions equipped with either propulsive type. These control magnitudes can be used to bound the space that is accessible (or reachable) for a target given an initial state and some temporal bounds, for instance representing the last known state and the time elapsed since then. Still, application of these concepts requires the development of computationally efficient methods to compute orbital distances in terms of control, also known as control distance metrics, based either on chemical or electrical propulsion. In other words, a key enabler of the methodology proposed in this thesis is the development of inexpensive methods to evaluate control distance metrics, which shall capture the dynamical features of Earth’s orbital environment and the different space propulsive technologies. To this end, two different surrogate models for orbital maneuvers have been developed, under low and high-thrust assumptions, and exploited to compute not only the control distance between two orbital states but also to approximate reachability bounds conditioned on an initial state and a time of flight. Statistically consistent maneuver models are then constructed from the developed surrogates, which can provide reasonable maneuver evidence for data association in space surveillance applications. These models are embedded in an advanced multiple maneuvering target tracking filter, capable of managing ambiguity arising from target maneuvers, death, birth, missed sensor detections and false observations, thus being suitable for robust automated operations. Results obtained from synthetic datasets indicate the developed methods help the filter to maintain custody of maneuvering targets and resolve ambiguity in a wide range of scenarios. However, the strong dynamical impact of maneuvers leads to significant uncertainties in the state of space objects, to the point that the quality of conjunction analyses is severely degraded. Therefore, even if the developed methods are capable of maintaining custody of maneuverable space objects, it is advisable to further characterize maneuvers according to, for instance, historical data. Including heuristics in the definition of maneuver modes can help to reduce the effective uncertainty at early post-maneuver epochs, thereby increasing the overall quality of the space object catalog and allowing for accurate conjunction analyses in the presence of maneuvering targets.