Routing optimization for impulsive and low-thrust multi-injection problem solving for constellations and multi-satellites deployment

The continuously growing number of small satellites which needs to be launched around Earth nowadays asks for new releasing strategies. This work suggests a new approach to solve the routing problem and fast identify feasible profiles to simultaneously and efficiently inject into orbit multiple space assets by means of a deployer equipped with low-thrust control authority. The possibility to perform the transfers with impulsive maneuvers was also investigated. A multi-satellites single launch injection scenario asks solving two main challenges from the dynamics control management perspective: fast converge on a feasible release history to maximise the launcher utilisation and revenue; grant flexibility and robustness in managing on orbit operations quick reshaping along the whole time window devoted to the complete set of satellites injection. Therefore, the proposed algorithm, while finding the near-optimal releasing order to deploy N heterogeneous satellites correctly phased on their operational orbits, aims of being computationally light and fast. The algorithm is proposed to be as flexible as possible in terms of scenarios, being compatible with both single-launch homogeneous space assets constellation and heterogeneous multi-satellites deployment, differing in final orbit insertion and physical properties. A multi-objective heuristic optimization is here preferred to find the optimal releasing order and transfer strategies, aiming to minimize the fuel consumption and the time to operations. Furthermore, the algorithm easily manages the introduction of engineering constraints, such as maximum thrust or power available, and of operative constraints, such as scheduling constraints. The most demanding transfers in term of propellant and time, which are those entailing large plane changes (i.e. RAAN and inclination), are performed through the exploitation of the asymmetrical Earth gravitational field. This approach leads to consistent savings in propellant, at the cost of increase in overall time of deployment, granting the great flexibility of the algorithm in terms of applications, allowing performing several transfers connecting orbits with very different parameters. Performances of the algorithm are tested when stressed in terms of both search space and constraints set size.

La continua crescita del numero di satelliti di piccole dimensioni che necessitano di essere lanciati oggigiorno richiede nuove strategie di rilascio. Questo lavoro propone un nuovo approccio per risolvere il problema di routing e identificare velocemente dei possibili profili per rilasciare simultaneamente ed efficacemente in orbita più satelliti per mezzo di un dispenser equipaggiato con propulsori a bassa spinta. La possibilità di effettuare i trasferimenti attraverso manovre impulsive è anche presa in considerazione. Il planning di una missione di multi-rilascio con un singolo lancio richiede la soluzione di due principali problemi: convergere velocemente su un ordine di rilascio fattibile che massimizzi l'utilizzo del lanciatore ed il guadagno; garantire flessibilità e robustezza nel gestire operazioni on orbit durante tutta la finestra temporale della missione. L'algoritmo proposto punta a trovare una traiettoria sub-ottimale per il rilascio di N satelliti e correttamente distribuiti sulle rispettive orbite operazionali e ad essere computazionalmente leggero e veloce. L'algoritmo si propone inoltre di essere il più flessibile possibile in termini di scenari di applicazione, essendo compatibile con rilascio multiplo di satelliti sia omogenei, ovvero con caratteristiche simili sia in orbita di rilascio che in proprietà fisiche, che eterogenei. Un metodo di ottimizzazione euristico multi-obiettivo è stato preferito per trovare l'ordine di rilascio subottimale e le singole strategie di trasferimento, con l'obiettivo di minimizzare il consumo di propellente e la durata della missione. Inoltre, l'algoritmo garantisce la possibilità di introdurre vincoli ingegneristici, quali la massima spinta o massima potenza disponibile, o operativi, come sull'ordine di rilascio. I trasferimenti più impegnativi in termini di consumo di propellente e durata, ovvero quelli che comprendono grandi cambi di piano (i.e. RAAN e inclinazione), sono eseguiti sfruttando l'asimmetria del campo gravitazionale terrestre. Questo approccio porta a significativi risparmi nel consumo di propellente al costo di un aumento della durata della missione, garantendo così la grande flessibilità dell'algoritmo in termini di applicazione. Le performance dell'algoritmo sono testate quando sottoposto a condizioni limite sia in termini di dimensioni dello spazio di ricerca che di vincoli.