Analysis of strategies for active vs active collision avoidance and space traffic management

The dawn of the New Space era has led to the proliferation of small satellites and the deployment of mega-constellations. Consequently, the occurrence of high-risk collisions between active maneuverable satellites in orbit is becoming more common. Thus, it is imperative to develop innovative solutions to reduce the risk of such collisions and promote sustainable and responsible satellite design and operations. One of the milestones of the global Space Traffic Management (STM) agenda is related to conjunctions between manoeuvrable satellites belonging to different operators. This requires establishing decision-making processes and coordination strategies between both operators to agree on the collision avoidance manoeuvre (CAM) to be executed, while encouraging a conscientious use of space. In this work, different STM regulations and strategies for the resolution of conjunctions between active objects have been analysed using a STM simulator. The proposed architecture allows the processing of satellite catalogues and orbital information to detect and evaluate the risk of active vs active conjunctions and apply different conjunction resolution strategies. A rule-based decision-making process is proposed, where the so-called rules of the road are applied to define the right of way in case of a high-risk collision. Second, a novel formulation for designing an impulsive Shared CAM (ShCAM) is presented, in which each satellite performs a coordinated CAM. Moreover, a fair formulation is proposed to distribute the control effort between satellites according to their contribution to the collision risk in terms of object size and orbital uncertainty. Both the individual and shared along-track design approaches have been formulated as an NLP problem with geometric and probabilistic constraints at a fixed manoeuvring time. Then, the optimal solution is obtained by introducing a new objective function to evaluate both the control effort and the time of manoeuvre through three different design strategies. The proposed methods have proven to be successful in the resolution of conjunctions. The advantages of sharing the cost of manoeuvring are also highlighted.

L’alba della nuova era spaziale ha portato alla proliferazione di piccoli satelliti e allo sviluppo di mega-costellazioni. Di conseguenza, il verificarsi di collisioni ad alto rischio tra satelliti attivi manovrabili in orbita sta diventando sempre più comune. È quindi indispensabile sviluppare soluzioni innovative per ridurre il rischio di tali collisioni, promuovendo uno sviluppo sostenibile e responsabile. Una delle pietre miliari dell’agenda globale per la gestione del traffico spaziale (STM) riguarda le congiunzioni tra satelliti manovrabili appartenenti a diversi operatori. Ciò richiede l’istituzione di processi decisionali e strategie di coordinamento tra i due operatori per concordare l’esecuzione della manovra per evitare la collisione (CAM), incoraggiando al contempo un uso coscienzioso dello spazio. In questo lavoro, sono state analizzate diverse strategie STM per la risoluzione delle congiunzioni tra oggetti attivi, utilizzando un simulatore STM. L’architettura proposta consente di elaborare i cataloghi dei satelliti e le informazioni orbitali per individuare e valutare il rischio di congiunzioni attive e, infine, risolverle. Viene proposto un processo decisionale basato su le cosiddette regole della strada, applicate per definire il diritto di precedenza in caso di collisione ad alto rischio. Poi, viene presentata una nuova formulazione per il design di una CAM impulsiva condivisa (ShCAM), in cui ogni satellite esegue una CAM coordinata. Inoltre, viene proposta una formulazione equa per distribuire lo sforzo di controllo tra i satelliti in base al loro contributo al rischio di collisione in termini di dimensioni dell’oggetto e di incertezza orbitale. Entrambi gli approcci di design individuale e condivisa sono stati formulati come un problema NLP con vincoli geometrici e probabilistici a un tempo di manovra fissato nel caso along-track. La soluzione ottimale è ottenuta introducendo una nuova funzione obiettivo per valutare sia l’entità che il tempo di manovra con tre diverse strategie. I metodi proposti si sono dimostrati efficaci nella risoluzione delle congiunzioni. Inoltre vengono evidenziati i vantaggi della condivisione del costo di manovra.