Investigation and implementation of single impulse maneuver strategies for Earth frozen orbits maintenance

Earth observation missions have had a key role in gathering information about the Earth and its environment. Their payloads generally require stable low-altitude orbits to provide high-quality results, which is why LEO (Low Earth Orbits) are often selected. However, these orbits have drawbacks, like a narrow field of view and orbit perturbations. To counteract them, frozen orbits are designed to fix some orbital elements, particularly the eccentricity module and argument of perigee. During the operational phase of the mission (phase E), the orbit maintenance campaign makes the satellites correctly operate with respect to mission requirements. With this objective, Deimos Space S.L. developed a software tool called FDS (Flight Dynamic System) to provide multiple flight dynamics functionalities to several missions (orbit determination, orbit acquisition, collision risk management, etc). To expand the offering of maneuvers proposed by the FDS, a single impulse maneuver strategy for semi-major axis change in the framework of frozen orbits has been studied to obtain a formulation that avoids frozen conditions degradation. After analyzing frozen orbits and single impulse maneuvers, the strategy has been implemented and validated into the FDS. Finally, another maneuver strategy is proposed thanks to the knowledge acquired from this analysis. The objective is to change the eccentricity vector to meet the frozen conditions with a single impulse maneuver.

Le missioni di osservazione della Terra hanno avuto un ruolo fondamentale nella raccolta di informazioni sulla Terra e sul suo ambiente. I payloads generalmente richiedono orbite stabili a bassa quota per fornire risultati di alta qualità, motivo per cui spesso vengono scelte orbite LEO (Low Earth Orbits). Tuttavia, queste orbite presentano degli svantaggi, come un campo visivo ristretto e perturbazioni orbitali. Per contrastarle, le frozen orbtis sono progettate per fissare alcuni elementi orbitali, in particolare il modulo di eccentricità e l'argomento del perigeo. Durante la fase operativa della missione (fase E), la campagna di mantenimento dell'orbita fa sì che i satelliti operino correttamente rispetto ai requisiti di missione. Con questo obiettivo, Deimos Space S.L. ha sviluppato uno strumento software chiamato FDS (Flight Dynamic System) per fornire molteplici funzionalità di dinamica del volo a diverse missioni (determinazione dell'orbita, acquisizione dell'orbita, gestione del rischio di collisione, ecc.). Per ampliare l'offerta di manovre proposte dall'FDS, è stata studiata una strategia di manovra a singolo impulso per la variazione del semiasse maggiore nel contesto di frozen orbits, al fine di ottenere una formulazione che ne eviti la degradazione. Dopo aver analizzato le frozen orbits e le manovre a singolo impulso, la strategia è stata implementata e convalidata nell'FDS. Infine, viene proposta un'altra strategia di manovra grazie alle conoscenze acquisite da questa analisi. L'obiettivo è quello di modificare il vettore eccentricità ed arrivare a soddisfare le condizioni di frozen orbit con una manovra a singolo impulso.