Collision avoidance maneuvers using differential drag and a variable exposed area in low earth orbit

This thesis is placed within the increasingly critical context of the space debris problem in Low Earth Orbit, aiming to combine the growing need for performing Collision Avoidance Maneuvers (CAMs) with the market demand to minimize satellite mass and complexity. In this framework, the exploitation of the aerodynamic drag perturbation is explored as a valid alternative to onboard propulsion systems, providing a more realistic analysis based on the theoretical feasibility already assessed in literature. Modulating a surface, the position of the satellite at the predicted Time of Closest Approach (TCA) is modified by differential drag to avoid the collision. All the implementation is carried out exploiting Differential Algebra techniques, to create a polynomial map that gives as output a total ∆-Area to lower the Probability of Collision (PoC) below a safe threshold in a 24-hour scenario. The effect of maneuver timing on the B-Plane is evaluated, comparing drag-based maneuvers with conventional tangential maneuvers. In a 24-hour window, the along-track component dominates over the radial, making early intervention advantageous to balance orbital decay and required ∆-Area. The minimum ∆-Area is found acting continuously over all 24 hours and evaluated under different solar activity conditions, showing that low solar activity may prevent effective maneuvers without specific satellite design. Beyond solar activity, conjunction geometry and covariances strongly affect the ∆-Area requirement, with head-on conjunctions being the most challenging. Density uncertainty is incorporated into a guidance problem, in which the ∆-Area is updated using new density estimates from an Extended Kalman Filter. Results indicate that the slow nature of drag limits density estimation for low-ballistic-coefficient satellites, but also keeps displacement errors small. Finally, a test case is implemented using the real Global Positioning System (GPS) measurements of the TPA-1, a cubesat developed by the University of Auckland. This analysis highlights the importance of data quality for effective guidance.

Questa tesi si colloca nel contesto sempre più critico legato ai detriti spaziali in Orbita Terrestre Bassa, con l’obiettivo di conciliare, da una parte, il bisogno di effettuare Manovre Anti-Collisione e, dall’altra, la spinta del mercato verso masse e complessità dei satelliti ridotte. In questo quadro, l’uso della perturbazione aerodinamica è esplorata come valida alternativa ai sistemi di propulsione, fornendo un’analisi più realistica rispetto alla fattibilità teorica già dimostrata in letteratura. Modulando una superficie, la posizione del satellite al Momento di Minima Distanza viene modificata tramite drag differenziale, al fine di evitare la collisione. Tutta l’implementazione è sviluppata sfruttando le tecniche di Algebra Differenziale, per creare una mappa polinomiale che fornisce il ∆-Area totale da applicare per ridurre la Probabilità di Collisione al di sotto di una soglia di sicurezza in uno scenario a 24 ore dalla collisione. L’effetto del timing della manovra viene valutato sul B-Plane, confrontando manovre basate sul drag con manovre tangenziali convenzionali. In una finestra temporale di 24 ore, la componente lungo-track predomina su quella radiale, rendendo vantaggioso intervenire precocemente per bilanciare il decadimento orbitale e il ∆-Area richiesto. Il ∆-Area minimo necessario viene determinato agendo costantemente per tutte le 24 ore ed è valutato sotto diverse condizioni di attività solare, mostrando che periodi di bassa attività solare possono impedire manovre efficaci senza un design specifico del satellite. Oltre all’attività solare, geometrie di incontro e covarianze influiscono significativamente sul requisito di ∆-Area, tra cui le head-on conjunctions risultano le più critiche. L’incertezza della densità viene incorporata in un problema di guidance, aggiornando il ∆-Area di riferimento con nuove stime ottenute tramite un Filtro Esteso di Kalman. I risultati indicano che la natura lenta della perturbazione da drag limita la stima della densità per satelliti con coefficienti balistici bassi, ma implica anche che gli errori di spostamento rimangono contenuti. Infine, viene sviluppato un caso di studio utilizzando misurazioni GPS reali del TPA-1, evidenziando come la qualità dei dati rappresenti un aspetto chiave per una guida efficace.