The exponential growth of active satellites, especially in economically strategic orbital regions, has significantly intensified space traffic, raising serious concerns about the long-term sustainability of space operations. One of the most critical challenges is the increasing frequency of conjunctions involving two manoeuvrable satellites. In the absence of coordination, traditional avoidance strategies may paradoxically raise the probability of collision rather than reduce it. The topic of avoidance strategies is widely discussed in the literature, with most contributions focusing on unilateral conjunctions between active satellites and space debris or non-cooperative objects. Conversely, cooperative manoeuvres remain an almost entirely unexplored area. This thesis investigates two complementary approaches to address this problem. The first is a rule-based decision-making strategy inspired by terrestrial "right-of-way" principles. To support this method, a Conjunction Generator tool is developed. Based on a statistical analysis of a real satellite database, this tool generates realistic synthetic conjunction cases by sampling the physical and orbital characteristics of satellites. These test cases are then used to evaluate the effectiveness of several rules for assigning manoeuvre responsibility, with results showing that rules based on continuous variables (e.g., age, eccentricity) are generally more reliable than those based on categorical parameters. The second approach introduces a cooperative collision avoidance scheme, where the manoeuvre burden is shared between satellites. Two analytical routines are showcased: one assuming impulsive manoeuvres and another based on energy-optimal low-thrust dynamics. Both formulations use a fairness parameter to proportionally allocate the manoeuvre cost, depending on satellite-specific attributes. While the impulsive solution demonstrates better efficiency within a defined parameter range, the energy-optimal method proves to be robust even under extreme repartition of the manoeuvre cost. Furthermore, it provides a valuable foundation for future extensions toward fuel-optimal solutions. The proposed methods offer practical tools for coordinated collision avoidance in increasingly congested orbital environments.
La crescita esponenziale dei satelliti attivi, soprattutto nelle regioni orbitali di maggiore rilevanza economica, ha intensificato notevolmente il traffico spaziale, sollevando serie preoccupazioni riguardo alla sostenibilità delle operazioni spaziali nel lungo periodo. Una delle sfide più critiche è l’aumento della frequenza delle congiunzioni che coinvolgono due satelliti manovrabili. In assenza di coordinamento, le strategie tradizionali di evitamento possono paradossalmente aumentare la probabilità di collisione anziché ridurla. Il tema delle strategie di evitamento è ampiamente discusso in letteratura, con la maggior parte dei contributi focalizzati su congiunzioni unilaterali tra satelliti attivi e detriti spaziali o oggetti non cooperativi. Al contrario, le manovre cooperative restano un ambito quasi del tutto inesplorato. Questa tesi indaga due approcci complementari per affrontare il problema. Il primo è una strategia decisionale basata su regole, ispirata ai principi terrestri del “diritto di precedenza”. Per supportare questo metodo, viene sviluppato uno strumento di generazione di congiunzioni (Conjunction Generator). Basato su un'analisi statistica di un database reale di satelliti, questo strumento genera casi di congiunzione sintetici ma realistici, campionando le caratteristiche fisiche e orbitali dei satelliti. Questi casi vengono poi utilizzati per valutare l’efficacia di diverse regole di assegnazione della responsabilità manovra, con risultati che mostrano come le regole basate su variabili continue (ad esempio, età, eccentricità) siano generalmente più affidabili rispetto a quelle basate su parametri categorici. Il secondo approccio introduce uno schema cooperativo di evitamento delle collisioni, in cui l’onere della manovra viene condiviso tra i satelliti coinvolti. Vengono presentate due routine analitiche: una che assume manovre impulsive e un’altra basata su dinamiche a bassa spinta ottimizzate per il consumo energetico. Entrambe le formulazioni utilizzano un parametro di equità per ripartire proporzionalmente il costo della manovra, in base alle caratteristiche specifiche di ciascun satellite. Sebbene la soluzione impulsiva dimostri maggiore efficienza entro un certo intervallo di parametri, il metodo energeticamente ottimale si rivela robusto anche in scenari di ripartizione estrema del costo della manovra. Inoltre, quest’ultimo rappresenta una base solida per futuri sviluppi orientati a soluzioni ottimizzate per il consumo di carburante. I metodi proposti offrono strumenti pratici per l’evitamento coordinato delle collisioni in ambienti orbitali sempre più congestionati.
Coordinated and fair collision avoidance between active satellites
Feraboli, Daniele
2024/2025
Abstract
The exponential growth of active satellites, especially in economically strategic orbital regions, has significantly intensified space traffic, raising serious concerns about the long-term sustainability of space operations. One of the most critical challenges is the increasing frequency of conjunctions involving two manoeuvrable satellites. In the absence of coordination, traditional avoidance strategies may paradoxically raise the probability of collision rather than reduce it. The topic of avoidance strategies is widely discussed in the literature, with most contributions focusing on unilateral conjunctions between active satellites and space debris or non-cooperative objects. Conversely, cooperative manoeuvres remain an almost entirely unexplored area. This thesis investigates two complementary approaches to address this problem. The first is a rule-based decision-making strategy inspired by terrestrial "right-of-way" principles. To support this method, a Conjunction Generator tool is developed. Based on a statistical analysis of a real satellite database, this tool generates realistic synthetic conjunction cases by sampling the physical and orbital characteristics of satellites. These test cases are then used to evaluate the effectiveness of several rules for assigning manoeuvre responsibility, with results showing that rules based on continuous variables (e.g., age, eccentricity) are generally more reliable than those based on categorical parameters. The second approach introduces a cooperative collision avoidance scheme, where the manoeuvre burden is shared between satellites. Two analytical routines are showcased: one assuming impulsive manoeuvres and another based on energy-optimal low-thrust dynamics. Both formulations use a fairness parameter to proportionally allocate the manoeuvre cost, depending on satellite-specific attributes. While the impulsive solution demonstrates better efficiency within a defined parameter range, the energy-optimal method proves to be robust even under extreme repartition of the manoeuvre cost. Furthermore, it provides a valuable foundation for future extensions toward fuel-optimal solutions. The proposed methods offer practical tools for coordinated collision avoidance in increasingly congested orbital environments.File | Dimensione | Formato | |
---|---|---|---|
2025_07_Feraboli_Executive Summary_02.pdf
accessibile in internet solo dagli utenti autorizzati
Descrizione: testo executive summary
Dimensione
972.32 kB
Formato
Adobe PDF
|
972.32 kB | Adobe PDF | Visualizza/Apri |
2025_07_Feraboli_Tesi_01.pdf
accessibile in internet solo dagli utenti autorizzati
Descrizione: testo tesi
Dimensione
14.04 MB
Formato
Adobe PDF
|
14.04 MB | Adobe PDF | Visualizza/Apri |
I documenti in POLITesi sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
https://hdl.handle.net/10589/240237