Performance analysis of the predictive autonomous orbit control (AOC) method

Because of non-Keplerian forces (i.e. atmospheric drag, gravitational forces of the Sun and the Moon. . . ), Orbit Control (OC) is a vital aspect of every satellite mission. In fact, in order to keep the satellite on a particular reference orbit, some maneuvers have to be executed by the spacecraft. The OC, or the so called station-keeping, guarantees the position accuracy that is required in several space missions. To achieve this precision with minimal ground-based workload, an Autonomous Orbit Control (AOC) has been proposed. In this way, the spacecraft itself will calculate, control and execute the station-keeping maneuvers, without outside intervention. However, the AOC at low altitudes raises the issue of the collision risks management process. The ground segment team, knowing the future action plan of the spacecraft, will be able to estimate the impact risk and deal with it. That's why a predictive AOC has been implemented. The AOC will calculate, at each passage at the ascending node, a maneuvers horizon for the next 24 hours. In this way the ground segment team will be able to predict the spacecraft dynamics, compare the satellite trajectory with the known near debris ephemeris and, eventually, modify the action plan. In order to make AOC more predictable for the ground system, the "Centre National d'Eudes Spatiales" (CNES) has studied and developed an algorithmic method based on the presence of a frozen horizon for upcoming maneuvers: all the maneuvers computed by the AOC in this range will be fixed in magnitude and date of achievement. However, due to the variability of the solar activity, the efficiency of this method decreases. A solution has been found adding a second maneuvers horizon in which in-plane and out-of-plane maneuvers are adjustable in amplitude but with a frozen date of achievement. The new method contains several parameters, such as the amplitude of the horizons and control margins. The determination of these parameters for different missions will be the aim of this study.

A causa di forze non-Kepleriane (come la resistenza atmosferica, le forze gravitazionali del Sole e della Luna ...), il Controllo d’Orbita (OC) rappresenta un aspetto vitale per ogni missione spaziale. Per mantenere il satellite su una particolare orbita di riferimento, alcune manovre devono essere eseguite. L'OC, o il cosiddetto station-keeping, garantisce una certa accuratezza sulla posizione del satellite, essenziale per la corretta realizzazione di una missione. Per raggiungere questa precisione con un carico lavorativo minimo da parte della squadra di terra, è stato proposto un controllo autonomo d’orbita (AOC). In questo modo, sarà il satellite stesso a calcolare, controllare ed eseguire le manovre di station-keeping, senza alcun intervento esterno. Tuttavia, l'AOC per un’orbita a bassa quota pone il problema sulla gestione dei rischi di collisione. Il team di terra, conoscendo il piano d'azione futuro del satellite, è in grado di stimare il rischio di impatto e agire per evitarlo. Per questo motivo è stato implementato un AOC predittivo. Questo significa che l’AOC calcolerà, ad ogni passaggio al nodo ascendente, un piano di manovre per le successive 24 ore e le fornirà al team. In questo modo il team di terra sarà in grado di predire la dinamica del veicolo spaziale, di confrontare la traiettoria satellitare con le note effemeridi vicino ai detriti e, eventualmente, modificare il piano d'azione. Al fine di rendere l’AOC più prevedibile da parte del sistema di terra, il "Centre National d'Eudes Spatiales" (CNES) ha studiato e sviluppato un metodo algoritmico basato sulla presenza di un orizzonte congelato per le manovre: tutte le manovre calcolate dall’AOC che si trovano in questo intervallo saranno fissate in posizione e modulo. Tuttavia, a causa della variabilità dell'attività solare, l'efficienza di questo metodo diminuisce. Una soluzione è stata trovata, che consiste nell’aggiungere un secondo orizzonte di manovre in cui le manovre nel piano e fuori piano sono variabili in modulo ma con una data di esecuzione fissa. Il nuovo metodo contiene diversi parametri, come l'ampiezza degli orizzonti e dei margini di controllo. La determinazione di questi parametri per diverse missioni sarà l'obiettivo di questa tesi.