Space mission analysis of a Very Low Earth Orbit constellation for emergency response

In the new space era the number of launched satellites per year has significantly increased, and, according to future estimation, it is destined to grow; at this rate, the saturation of Low Earth Orbit (LEO) is inevitable. In recent years the interest in orbits with altitudes lower than 450 km has risen; these orbits are referred to as Very Low Earth Orbits (VLEO). The intense aerodynamic drag at these altitudes brings a natural decay of space objects and debris leading to a much safer environment and limiting the mission lifetime to 25 years according to international guidelines. Moreover, the reduced range improves the spatial resolution of the optical measures and the radiometric performances, allowing for smaller and cheaper satellites. The benefits, limitations, and feasibility of VLEOs are studied in this thesis work by proposing a preliminary Mission Analysis (MA) of the LEO2VLEO mission from the European Defence Agency (EDA). The mission aims to design and demonstrate the feasibility of a constellation of satellites for emergency response; the satellites will be placed in parking LEOs and will descend into operative VLEOs only following an activation request. The proposed MA includes the optimization of both the ascent and descent trajectories subjected to the effects of aerodynamic drag: an electric propulsion alternative is proposed and the continuous guidance problem is approached with a Hermite-Simpson direct collocation method; moreover, a chemical solution is presented to enhance the responsiveness and, finally, the advantages of a chemical-electric alternated approach are discussed. The limitations of VLEOs, related to the reduced observation footprint areas and duration of the communication visibility windows, are investigated by proposing a design for the constellation of the LEO2VLEO mission. An efficient numeric method for the computation of the performance indexes is developed, and subsequently used in the identification of three valid Walker patterns for wide coverage, fast revisit times and short communication latencies. The logic for the selection of the satellites to deploy in VLEO, depending on the target location, is discussed and, finally, the possibility of a double coverage constellation for triangulation purposes is investigated.

Nella nuova era spaziale il numero di satelliti lanciati ogni anno è aumentato sensibilmente, e, in accordo con le stime future, è destinato a crescere ancora; di questo passo la saturazione delle orbite terrestri basse (LEO) è inevitabile. Negli ultimi anni l'interesse per le orbite con altitudine inferiore a 450 km è aumentato; tali orbite sono dette orbite terrestri molto basse (VLEO). L'intensa resistenza atmosferica presente a queste quote porta un naturale decadimento dei detriti spaziali garantendo un ambiente più sicuro e limitando la vita operativa di una missione a 25 anni, come previsto dalle normative internazionali. In aggiunta, l'altitudine ridotta migliora la risoluzione spaziale delle misure ottiche e le performance radiometriche, consentendo di realizzare satelliti più piccoli ed economici. I limiti e i benefici delle orbite VLEO sono analizzati in questa tesi proponendo un'analisi di missione preliminare della missione LEO2VLEO dell'Agenzia della Difesa Europea (EDA). La missione prevede lo studio di fattibilità ed il progetto di una costellazione di satelliti per la risposta alle emergenze; i satelliti saranno posizionati in orbite di parcheggio LEO e discenderanno nelle orbite operative VLEO solo a seguito di una richiesta di attivazione. L'analisi proposta include l'ottimizzazione delle traiettorie di ascesa e di discesa soggette all'effetto della resistenza aerodinamica: viene proposta un'alternativa con propulsione elettrica utilizzando il metodo di collocazione diretta di Hermite-Simpson per l'ottimizzazione; viene inoltre sviluppata una soluzione che sfrutta la sola propulsione chimica per migliorare la prontezza e, infine, sono presentati i vantaggi di un approccio alternato chimico ed elettrico. I limiti dovuti alle ridotte aree di copertura e finestre di comunicazione in VLEO sono analizzati studiando la costellazione della missione. Viene proposto un efficiente metodo numerico per il calcolo dei parametri di prestazione, che è poi impiegato nell'identificazione di tre valide costellazioni di Walker che garantiscono ampia copertura, rapidi tempi di rivisitazione e brevi latenze di comunicazione. Viene infine discussa la logica per la selezione dei satelliti da schierare in VLEO, a seconda della posizione target, ed esaminata la possibilità di una costellazione con copertura doppia per fini di triangolazione.