Optimization of continuous thrust maneuvers for space traffic management

The exponential growth in satellite numbers, particularly in Low Earth Orbit (LEO), has led to an increase in the frequency at which critical conjunctions occur, making collision risk mitigation a priority for sustainable space operations. This scenario has made efficient Collision Avoidance Maneuver (CAM) planning essential for ensuring mission success and the continued sustainable use of space. Additionally, an increasing number of satellites are equipped with electric thrusters to control their orbit through continuous low-thrust maneuvers, while many small satellites lack dedicated propulsion systems of their own. This work addresses the need for efficient continuous thrust CAMs by developing a software tool that can provide optimized low-thrust and differential drag maneuvers. The tool leverages GODOT, ESA's state-of-the-art spacecraft flight dynamics software, and the PyGMO optimization library, to provide versatile solutions tailored to user-selected decision variables, constraints, and objectives. The developed tool supports three optimization modes: a mode tailored for computational efficiency that employs a local nonlinear optimization algorithm to minimize propellant consumption or maneuver time; a mode designed to solve the problem through a global optimization evolutionary algorithm, incorporating user-defined weights to prioritize different objectives according to mission requirements; and a mode that employs multi-objective optimization to generate Pareto fronts of maneuver solutions, enabling the assessment of trade-offs between different operational objectives. Extensive testing demonstrated the robustness of the tool across different real-world conjunction scenarios, for both low-thrust and differential drag maneuvers.

La crescita esponenziale del numero di satelliti, soprattutto in orbita terrestre bassa (LEO), ha portato a un aumento della frequenza con cui si verificano congiunzioni critiche, rendendo la mitigazione del rischio di collisione una priorità per le operazioni spaziali sostenibili. Questo scenario ha reso essenziale una pianificazione efficiente della manovra di prevenzione delle collisioni (CAM) per garantire il successo delle missioni e l'uso sostenibile dello spazio. Inoltre, un numero crescente di satelliti è dotato di propulsori elettrici per controllare la propria orbita attraverso manovre continue a bassa spinta, mentre molti piccoli satelliti non dispongono di sistemi di propulsione dedicati. Questo lavoro risponde alla necessità di realizzare CAM efficienti a spinta continua sviluppando uno strumento software in grado di fornire manovre ottimizzate a bassa spinta o che utilizzino differential drag. Lo strumento sfrutta GODOT, il software all'avanguardia dell'ESA per la dinamica di volo dei veicoli spaziali, e la libreria di ottimizzazione PyGMO, per fornire soluzioni versatili adattate alle variabili decisionali, ai vincoli e agli obiettivi selezionati dall'utente. Il software sviluppato supporta tre modalità di ottimizzazione: una modalità che mira all'efficienza computazionale che impiega un algoritmo di ottimizzazione locale non lineare per minimizzare il consumo di propellente o il tempo di manovra; una modalità progettata per risolvere il problema attraverso un algoritmo evolutivo di ottimizzazione globale, che incorpora pesi definiti dall'utente per dare priorità ai diversi obiettivi in base ai requisiti della missione; e una modalità che impiega l'ottimizzazione multi-obiettivo per generare fronti di Pareto delle soluzioni di manovra, consentendo di valutare i compromessi tra i diversi obiettivi operativi. Test approfonditi hanno dimostrato la robustezza dello strumento in diversi scenari di congiunzione del mondo reale, sia per le manovre a bassa spinta che per quelle basate su differential drag.