Methods for the optimal expansion of existing satellite constellations for performance enhancement

The growing demand for space observation and services is favoring the expansion of the satellite industry; the number of new payloads launched annually is constantly increasing and the trend intends to accelerate further in the coming years due to the progressive expansion of the satellite internet sector. Constellations of satellites, coordinated to cooperate as a single system, make it possible to meet strict requirements in terms of coverage and observation frequency that individual satellites are unable to guarantee. In Earth observation programs, data produced by different missions are collected and processed together to obtain a more frequent and complete analysis of the phenomena of interest. The expansion of existing constellations is an alternative to the design of new ones and in some cases allows to reduce the number of new satellites required to fulfill additional requirements. This solution contributes to a reduction in costs and time required and has a positive impact on the problem of overcrowding of satellites, especially in Low Earth Orbit. The work proposed in this thesis aims to evaluate how the optimal expansion of existing constellations can improve their performance in order to meet more stringent requirements. The analysis focuses on two distinct problems: that of discontinuous coverage that characterizes Earth observation satellites and that of continuous global coverage, typical of telecommunications constellations and positioning and navigation systems. The most significant original contribution is a computationally light numerical algorithm for the optimization of the orbital parameters of new satellites which, cooperating with a set of existing satellites, minimize the observation gap over a given region. An analytical investigation of the expansion is proposed for the street-of-coverage pattern, which is widely used for designing constellations for global coverage: the evolution of performance are analyzed as a function of the magnitude of the expansion and the minimum number of new satellites necessary to meet new requirements is studied.

La crescente domanda di servizi e osservazioni spaziali sta favorendo l’espansione dell’industria satellitare; il numero di nuovi payload lanciati annualmente è in continuo aumento e il trend è destinato ad accelerare ulteriormente nei prossimi anni per il progressivo espandersi del settore dell’internet satellitare. Costellazioni di satelliti, coordinati per cooperare come un unico sistema, permettono di rispondere a requisiti stringenti in termini di copertura e frequenza di osservazione che singoli satelliti non sono in grado di garantire. Nei programmi di osservazione terrestre, dati prodotti da missioni diverse sono raccolti ed elaborati insieme per un’analisi più frequente e completa dei fenomeni di interesse. L’espansione di costellazioni già esistenti risulta un’alternativa al design di nuove costellazioni e in alcuni casi permette di ridurre il numero di nuovi satelliti richiesti per adempiere a missioni aggiuntive. Ciò contribuisce a una riduzione di costi e tempi necessari e impatta positivamente sul problema del sovraffollamento di satelliti, in particolare in orbita terrestre bassa. Il lavoro proposto in questa tesi mira a valutare come l’espansione ottimale di costellazioni esistenti possa migliorarne le prestazioni e soddisfare requisiti più stringenti. L’analisi si concentra su due problemi distinti: quello della copertura discontinua che caratterizza i satelliti di osservazione terrestre e quello della copertura globale continua, tipico delle costellazioni per le telecomunicazioni e dei sistemi di posizionamento e navigazione. Il contributo originale più significativo è un algoritmo numerico computazionalmente leggero per l’ottimizzazione dei parametri orbitali di nuovi satelliti che, cooperando con un set di satelliti esistenti, minimizzino il gap di osservazione su una determinata regione. Viene inoltre proposto un esame analitico dell’espansione del pattern street-of-coverage, ampiamente utilizzato per il design di costellazioni per la copertura globale: per esso è studiata l’evoluzione delle prestazioni in funzione dell’espansione e il numero minimo di nuovi satelliti necessario a soddisfare nuovi requisiti.