Consolidation of in-house satellite trajectory generator for precise orbit determination

Many modern space activities in Low Earth Orbit, including Geodesy, Topography and SAR missions, have seen a drastic increase in the accuracy requirements for the Precise Orbit Determination of their satellites. To answer these needs, new POD softwares are being developed employing Reduced-Dynamic POD algorithms. These blend information coming from GNSS measurements with orbit predictions computed from the spacecraft dynamics to reconstruct past satellite orbits with high precision. However, these programs require precise and flexible input sources for simulations. With this aim, the Precise Orbit Propagator began development. The aim of this Thesis was to consolidate the state of development of such Propagator by including new force model components and enhancing already existing perturbations via precise environmental modelling. Another included feature concerned the implementation of a discontinuity control process inside the numerical integrators, to limit numeric errors encountered in the presence of orbital control maneuvers. An assessment study to investigate the impact of all the Force Models on the propagation results was then carried out for several orbit regimes. Results indicated that, to reach sub-meter level in the propagation, all of the included Perturbations need to be employed. A sensitivity analysis of such dynamical models was then conducted, showing that Geopotential and Aerodynamic Drag effects largely vary depending on Gravity Field and Atmospheric Density models, respectively. The dynamical components were then validated against a commercial flight dynamics program. Finally, results showed that the implemented Discontinuity Control process allowed to almost nullify numerical errors introduced by maneuvers. Having reached the prescribed requirements on numerical accuracy and fidelity of physical models, the next step of the Propagator development is the final validation against real satellite measurements, after which the software will have reached the necessary maturity.

Molte moderne missioni spaziali in orbita terrestre bassa, come le missioni di Geodesia, Topografia e SAR, sono state interessate da un drastico aumento nei requisiti di accuratezza riguardo la determinazione dell’orbita per i relativi satelliti. Per rispondere a questi requisiti, nuovi software che utilizzano algoritmi di Reduced-Dynamic POD sono in via di sviluppo. Questi programmi combinano misure GNSS con predizioni basate sulla dinamica del satellite per ricostruire, con grande precisione, orbite passate. I software in questione però richiedono sorgenti di traiettorie di input precise e flessibili. Per questo motivo, il Precise Orbit Propagator è stato sviluppato. Scopo di questa Tesi è stato quello di consolidare lo sviluppo di tale Propagatore mediante l’inserimento di nuovi componenti tra i modelli di forze, unito al miglioramento dei modelli di perturbazioni già presenti tramite una più accurata descrizione dei parametri ambientali. Un ulteriore sviluppo ha riguardato l’inserimento di un processo per il controllo delle discontinuità all’interno degli integratori numerici, per limitare gli errori di integrazione incontrati in caso di manovre orbitali. Una serie di analisi sono state effettuate per investigare l’impatto di tutte le perturbazioni sulla propagazione, in diversi regimi orbitali. I risultati hanno indicato che tutti i componenti della parte di dinamica del propagatore sono necessari per raggiungere una modellazione dell’orbita propagata inferiore al metro. Inoltre, analisi di sensibilità sono stati condotti sui modelli, evidenziando come geopotenziale e resistenza aerodinamica siano estremamente variabili a seconda della scelta dei modelli di gravità e densità atmosferica. Altre analisi hanno infine mostrato come l’inclusione del processo per il controllo di discontinuità abbia permesso di azzerare gli errori numerici introdotti dalle manovre. Avendo raggiunto i requisiti riguardo accuratezza numerica e fedeltà della modellazione, il prossimo passo per lo sviluppo del Propagatore è la validazione finale utilizzando dati satellitari reali, dopo la quale il software avrà raggiunto il necessario grado di maturità.