Design and Validation of an Optimal Orbit Control Strategy for the IRIDE-NOX Earth-Observation Mission

The objective of this research is to develop a tube-shaped orbit control method to apply to the IRIDE-NOX mission managed by D-Orbit. The developed orbit control method is implemented and tested in FreeFlyer®. The first part of the thesis is devoted to an analysis of the tube-shaped orbit control: the components of the space error are studied and their relations with the Keplerian elements are analysed. Two different orbit maintenance approaches for LEO satellites are described in this part, the first one developed by CNES and the other one by DLR. Their analyses represent the basis for the developed orbit control method, described in the second part of the thesis. The elaborated strategy allows obtaining an optimal Control Success Rate, minimizing the number and the cost of the required manoeuvres. Two different kinds of manoeuvres are required to ensure the orbit maintenance: in-plane manoeuvres and out-of-plane manoeuvres. Both of them are deeply analysed in order to define an innovative optimal approach which allows determining their intensity, position and triggering condition. Moreover, in this part it is defined a new method called “Active Radial Space Error Control” (ARSEC). Its aim is to define the best way to implement an already required in-plane manoeuvre in order to minimize the space error also by an optimal positioning of it, without an increment in the cost. In the third part of the thesis, the results of the optimal orbit control loop applied in an ideal simulation scenario are presented. Different cases are analysed, from the maintenance of a Repeating Ground Track Orbit in a tube of 250 m radius, in order to perform a comparison of the simulation’s results with the method developed by DLR and implemented in the German SAR satellite TSX, or in a tube of 1000 m radius, as required by the experimental phase of the NOX mission up to the capability to maintain a Sun Synchronous Orbit, according to the requirements of the nominal mission of NOX. The last part of the thesis shows the results of the application of the proposed method in a dispersed scenario, considering real propulsion system limits and uncertainties.

L’obiettivo di questa tesi è lo sviluppo di un sistema di controllo orbitale del tipo “tube-shaped” per la missione IRIDE-NOX gestita da D-Orbit. Quello studiato è un metodo di controllo dell’orbita ottimale, sviluppato e testato in FreeFlyer®. La prima parte di questo lavoro si concentra sulla definizione del concetto di controllo “tube-shaped”, con particolare attenzione all’analisi delle componenti dell’errore spaziale e alla loro relazione con i parametri orbitali. Infine, vengo studiati due diversi approcci, sviluppati uno dal CNES e l’altro dal DLR, per il mantenimento di un’orbita LEO. Lo studio di questi approcci è fondamentale per lo sviluppo di un nuovo metodo per il controllo orbitale, analizzato e descritto nella seconda parte della tesi. La strategia elaborata consente di ottenere un controllo ottimale minimizzando il numero e il costo delle manovre necessarie. Due diverse tipologie di manovre sono considerate: quelle nel piano orbitale e quelle fuori da esso. Entrambe sono valutate dall’innovativo metodo sviluppato, che consente di definire l’ottima intensità della manovra, la sua posizione e le sue condizioni di trigger. In questa parte viene inoltre approfondito lo sviluppo di un nuovo metodo chiamato “Active Radial Space Error Control” (ARSEC), il cui scopo è la definizione della posizione ottimale dove svolgere una manovra nel piano già necessaria, in modo tale da minimizzare ulteriormente l’errore senza nessun costo aggiuntivo. Nella terza parte di questo lavoro sono presentati i risultati dell’applicazione del controllo ottimale sviluppato in tre diversi scenari ideali: il mantenimento di una “Repeating Ground Track Orbit” con un tubo da 250 m di raggio, al fine di poter fare dei confronti con il metodo sviluppato dal DLR per il controllo del satellite TSX, e con un tubo di raggio 1000 m, richiesto per la fase sperimentale di NOX; infine il mantenimento di una “Sun Synchronous Orbit” per la fase nominale della missione di NOX. L’ultima parte della tesi racchiude i risultati di diverse analisi effettuate in un ambiente di simulazione che presenta incertezze e non idealità nelle manovre effettuate, rendendo possibile un’analisi preliminare dei risultati in un ambiente più simile a quello reale.