ASTERIA : integration of collision risk management in autonomous orbit control

Station-Keeping operations are essential in a satellite mission for counteracting the trajectory deviations caused by perturbing forces. Despite the advantages in adopting an embedded solution, its implementation is complicated by the emergence of a parallel need: the collision avoidance management. In a spatial environment which is always more crowded, a proper coupling between the station keeping and the management of the space objects in the vicinity of the satellite is necessary. However, the collision avoidance strategies demand an accurate knowledge of the satellite trajectory which contrasts with the advisable reactivity of an on-board control system. The Centre National d’Etudes Spatial (CNES) developed embedded solutions for both the orbital control and the collision risk management. The aim is to strengthen the satellite autonomy, to manage the collisions issue and to further reduce the on-ground operations load at once. This thesis work has contributed to this ambitious project by designing ASTERIA: an on-board solution which merges the two subsystems in an embedded controller able to autonomously maintain the orbit and manage the collision risk. The original functioning of the two subsystems is initially presented. In a second time the introduced upgrades are described. They have been conceived for both allowing the merge and amplifying the initial functionalities. Finally, the analysis of a strategy for the construction of a collision avoidance manoeuvre is presented. The strategy is designed to strengthen the system autonomy, by making the satellite able to detect a future collision and react for avoiding it while, as well, ensuring the mission.

Nella fase operativa di un satellite, le attività di station-keeping sono essenziali per limitare gli effetti di perturbazioni sull’orbita. Nonostante i vantaggi di una soluzione a bordo, la sua implementazione è complicata dalla presenza di una necessità parallela: la gestion dei rischi di collisione. In un contesto spaziale sempre più popolato, un’appropriata integrazione tra station-keeping e la gestione dei corpi orbitanti nelle vicinanze del satellite è necessaria. Tuttavia, le strategie di prevenzione di collisione, gestite da potenti calcolatori a terra, richiedono un livello di accuratezza nella conoscenza della traiettoria del satellite che si oppone alla reattività che caratterizza un sistema di controllo autonomo efficiente. Per fare fronte a questa questione, il Centro Nazionale di Studi Spaziali Francese (CNES) ha concepito due sistemi a bordo, finalizzati rispettivamente a garantire un corretto station-keeping e gestire il calcolo di rischio di collisioni. Lo scopo è quello di incrementare il livello di autonomia del satellite, riducendo il volume di operazioni richiesto alle stazioni al suolo. Questa tesi ha contribuito allo sviluppo di questo progetto, nella realizzazione di ASTERIA: un sistema integrale a bordo in grado di proporre un piano di manovre di mantenimento orbitale e di validarlo attraverso un controllo sui rischi di collisione. Inizialmente, il funzionamento originale dei due singoli sistemi é presentato. In seguito, l’attenzione si focalizza sulle modifiche apportate volte, sia a realizzare la fusione dei due sottosistemi in ASERIA, sia ad ampliarne le funzionalità. Infine, lo studio si concentra sulla concezione di un piano di prevenzione da collisioni. Tale strategia è volta a incrementare l’autonomia del sistema di controllo, rendendo il satellite non solo in grado di rilevare potenziali rischi, ma anche di mettere in atto un piano di manovre che permetta di evitare la collisione e garantire, in seguito, il proseguimento della missione.