Design and feasibility analysis of a fully electrical autonomous space rendezvous

In the context of my work at Thales Alenia Space, I conducted an in-depth study on the feasibility of a space rendezvous with electric propulsion. The objective of this research was to determine whether this technology could be applied to medium- and large-sized satellites operating in three different types of orbits: low Earth orbit, medium Earth or- bit, and geostationary orbit. This study involved analyzing existing designs, proposing improvements to the guidance, navigation, and control systems, as well as the power man- agement system, and verifying the feasibility of rendezvous in each orbital configuration. First, the study reviewed current designs of space rendezvous systems, particularly the critical GNC and EPS systems. The GNC is responsible for the accuracy of maneuvers and satellite trajectory control, while the EPS provides the necessary electrical power for all subsystems, including those for electric propulsion maneuvers. After analyzing the performance of these systems for each type of orbit, modifications were proposed to improve their efficiency according to the specific needs of each orbit. The results of the study show that the geostationary orbit is the least demanding for satellites in terms of energy and thermal management, offering continuous solar exposure and minimal maneuvers. This makes GEO highly advantageous for long-term missions and communication satellites. The medium Earth orbit, though less ideal than the GEO, remains manageable and provides longer solar exposure compared to the low Earth orbit. LEO, on the other hand, presents the most significant challenges because of rapid tran- sitions between light and shadow, placing substantial pressure on the satellite batteries and thermal control systems. Despite these challenges, the study demonstrated the feasibility of an electric propulsion rendezvous for all orbits studied, including LEO, where adjustments to the energy man- agement and maneuver control systems were able to meet the specific constraints. The improvements made to the systems ensured effective management of periods of shadow and illumination in LEO, as well as optimization of thermal resources to guarantee mission safety and success.

Nell’ambito del mio lavoro presso Thales Alenia Space, ho condotto uno studio appro- fondito sulla fattibilità di un rendezvous spaziale con propulsione elettrica. L’obiettivo di questa ricerca era determinare se questa tecnologia potesse essere applicata a satelliti di medie e grandi dimensioni operanti in tre diversi tipi di orbite: orbita bassa terrestre, orbita media terrestre e orbita geostazionaria. Questo studio ha comportato l’analisi dei sistemi esistenti, la proposta di miglioramenti ai sistemi di GNC e al sistema di gestione dell’energia, e la verifica della fattibilità del rendezvous in ogni configurazione orbitale. Innanzitutto, lo studio ha esaminato lo stato dell’arte attuale dei sistemi di rendezvous spaziale, in particolare i sistemi critici GNC ed EPS. Il GNC è responsabile della precisione delle manovre e del controllo della traiettoria del satellite, mentre l’EPS fornisce l’energia elettrica necessaria a tutti i sottosistemi, comprese le manovre di propulsione elettrica. Dopo aver analizzato le prestazioni di questi sistemi per ciascun tipo di orbita, sono state proposte modifiche per migliorarne l’efficienza in base alle specifiche esigenze di ogni orbita. I risultati dello studio mostrano che l’orbita geostazionaria è la meno impegnativa per i satelliti in termini di gestione energetica e termica, offrendo esposizione solare continua e manovre minime. Questo rende la GEO altamente vantaggiosa per missioni a lungo termine. L’orbita media terrestre, sebbene meno ideale della GEO, rimane gestibile e offre una maggiore esposizione solare rispetto all’orbita bassa terrestre. La LEO, invece, presenta le sfide più significative a causa delle rapide transizioni tra luce e ombra, che mettono sotto pressione le batterie dei satelliti e i sistemi di controllo termico. Nonostante queste sfide, lo studio ha dimostrato la fattibilità di un rendezvous con propul- sione elettrica per tutte le orbite studiate, compresa la LEO, dove gli aggiustamenti ai sistemi di gestione energetica e controllo delle manovre hanno potuto soddisfare i vincoli specifici. I miglioramenti apportati ai sistemi hanno garantito una gestione efficace dei periodi di ombra e illuminazione in LEO, oltre all’ottimizzazione delle risorse termiche per garantire la sicurezza e il successo della missione.