Initial guess generator and operational improvements for low thrust optimization tool in the frame of Galileo 2nd generation satellites

Electric propulsion stands out as a highly efficient technology for spacecraft propulsion, surpassing traditional chemical propulsion systems in propellant mass efficiency despite its low thrust output. However, low-thrust missions require continuous thrust over extended durations, posing unique challenges for trajectory optimization. As part of Galileo Second Generation (G2G) evolutions, it is expected that the new satellites will include electric propulsion thrusters. While GMV Innovating Solutions SL has developed a software package for low-thrust orbit transfers optimization, there exists potential for enhancement. Specifically in coupling LOTCOL, a swift tool able to optimize trajectories without prior calculations, and LOTMOP, a flexible and precise yet initial-guess-dependent tool. This research aims to develop, implement and analyze various approaches for transforming LOTCOL information into a suitable initial guess for LOTMOP, focusing on solving minimum transfer time problems. Additionally, the study explores the reformulation of LOTCOL for solving fuel-optimal problems with a formulation that evaluates thrust efficiency and introduces a time-varying optimization variable corresponding to the fraction of a given revolution during which thrust is applied. Furthermore, the research conducts a study on relocation maneuvers within the context of G2G, considering both minimum time and fuel-optimal approaches while adhering to constraints regarding operational coasting altitudes. The outcomes of this research include shedding light on the viability and performance of integrating these tools, as well as contributing to the development of the software to create a precise and computationally efficient low-thrust orbital transfer optimizer under the real mission analysis scenario of Galileo Second Generation (G2G) operations.

La propulsione elettrica spicca fra le tecnologie di propulsione spaziale per il suo elevato rendimento, sovrastando i sistemi di propulsione chimica tradizionali grazie all’efficienza del consumo di propellente, nonostante una ridotta prestazione in termini di spinta. Ad ogni modo, le missioni che impiegano un sistema propulsivo low-thrust richiedono una spinta continua per intervalli di tempo prolungati e ció rappresenta una sfida considerevole per quanto riguarda l’ottimizzazione della traiettoria. Nell’ambito dello sviluppo della Seconda Generazione di Galileo (G2G), si prevede che i nuovi satelliti includano un sistema di propulsione elettrica. GMV Innovating Solutions SL ha sviluppato una suite di software per l’ottimizzazione di traiettorie di trasferimento con propulsione low-thrust che presenta un notevole potenziale di perfezionamento, nello specifico per quanto riguarda l’interazione tra LOTCOL, un agile strumento per l’ottimizzazione di traiettorie a partire da zero, e LOTMOP, un ottimizzatore flessibile e preciso che, peró, richiede una soluzione di partenza. Lo scopo di questo studio é di sviluppare, implementare e analizzare vari approcci per utilizzare i dati ottenuti attraverso LOTCOL come initial guess per LOTMOP, in particolare per quanto riguarda il problema del trasferimento con minimo tempo. Parallelamente, questo studio esplora la riformulazione degli algoritmi di LOTCOL per risolvere il problema del trasferimento con minima massa, con una formulazione che tiene in conto l’efficienza della spinta e introduce una variabile di ottimizzazione temporale corrispondente alla frazione di una data rivoluzione in cui la spinta é applicata. Inoltre, questa tesi approfondisce lo scenario riguardante le manovre di riposizionamento (relocation) nel contesto del progetto G2G, considerando sia l’approccio del minimo tempo che quello della minima massa, rispettando i vincoli riguardanti l’altitudine del costeggiamento (coasting) operativo. I risultati di questo studio contribuiscono a far luce sulla fattibilitá dell’integrazione di questi due strumenti, oltre che allo sviluppo di software per la definizione di un trasferimento orbitale low-trust preciso ed efficiente a livello computazionale, basato su scenari operativi e di analisi di missione per la Seconda Generazione di Galileo (G2G).