Analysis, design, and optimization of robust trajectories for limited-capability small satellites

In this thesis a shift in preliminary mission analysis paradigm is formulated, modeled, and assessed. This concept merges in a single step the nominal trajectory optimization with a complete navigation assessment, able both to perform a high-fidelity orbit determination and compute the navigation costs. The aim is to reduce the overall costs removing the natural sub-optimality given by the traditional two-step process, surfing solutions with a lower dispersion and increased stochastic performances. The revised preliminary mission analysis approach is first formulated in a general form and three blocks composing it are identified. Then it is specialized for three different test cases, representing a benchmark for future space missions, and each block is modeled with mathematical means. Eventually, optimal solutions, minimizing the total costs, are sought. A final assessment shows the superiority of the revised paradigm, since it reduces the propellant mass in all the different mission scenarios.

In questa tesi, è formulato, modellato e valutato un cambio di paradigma per l’analisi di missione preliminare. Seguendo questo concetto, l’ottimizzazione della traiettoria nominale è unito a una valutazione completa della navigazione, capace sia di eseguire un algoritmo ad alta fedeltà per la determinazione orbitale sia di calcolare i costi di navigazione. L’obiettivo è di ridurre i costi complessivi eliminando la naturale sub-ottimalità data dal processo sequenziale tradizionale, navigando soluzioni con una dispersione minore e maggiore prestazioni dal punto di vista stocastico. L’approccio rivisto per l’analisi di missione preliminare è prima formulato in una forma generale e i tre blocchi che lo compongono sono individuati. Poi, questa è specializzata per tre scenari diversi, rappresentanti un punto di riferimento per le missioni spaziali del futuro, e ogni blocco è modellato matematicamente. Infine, sono state cercate soluzioni ottime, che minimizzano i costi totali. La valutazione finale mostra la superiorità del nuovo paradigma, dal momento che la massa di propellente necessario è inferiore in tutti gli scenari di missione.