Design of collision avoidance manoeuvres under coupled attitude-orbit dynamics using the watercube propulsion system

In recent years, the population of objects orbiting the Earth has grown due to the evolution of space traffic toward the miniaturization of space systems and the deployment of large constellations. As a result, an increasing number of close approaches poses significant threats to space operations. Among the available mitigation measures, collision avoidance manoeuvres (CAMs) are performed to prevent on-orbit impacts and the generation of additional space debris. To address this challenge, WaterCube is an innovative water-based propulsion system conceived to provide additional propellant for different mission scenarios, including collision avoidance manoeuvres. Design methods for CAMs typically focus primarily on position and velocity components, neglecting spacecraft attitude, which may result in payload downtime and consequently affect mission performance. This dissertation presents a novel approach to exploiting WaterCube in a coupled attitude-orbit collision avoidance manoeuvre design that ensures correct pointing throughout the manoeuvre. Several analyses have been conducted to validate the proposed method. First, a fuel-optimal formulation for short-notice CAM design under coupled attitude-orbit dynamics is presented. The optimal solution is computed using a multiple shooting direct method, and different firing arcs within the last half orbit before the collision are examined for both tangential and radial thrust. Secondly, the fuel-optimal formulation is adapted to investigate the behaviour of the optimal thrust direction at different time intervals from the Time of Closest Approach (TCA). The problem is solved using simple and multiple shooting optimization methods. Finally, information on the optimal thrust direction is exploited to plan a CAM 24 hours before the TCA using simple shooting optimization. The continuous optimal solution is then discretized via Pulse Width Modulation (PWM) to ensure feasibility under onboard hardware constraints. The obtained results assess the reliability of the CAM design method in exploiting the WaterCube thruster to ensure the required level of safety and correct pointing.

Negli ultimi anni, la popolazione di oggetti in orbita attorno alla Terra è cresciuta a causa della miniaturizzazione dei sistemi spaziali e della diffusione di grandi costellazioni. Di conseguenza, il numero crescente di potenziali collisioni rappresenta una minaccia significativa per le operazioni spaziali. Tra le misure di mitigazione, le manovre di anticollisione (CAMs) vengono eseguite per prevenire impatti e la generazione di detriti. A tal fine, WaterCube è un sistema propulsivo innovativo che utilizza acqua come propellente aggiuntivo, impiegabile in diversi scenari, incluse le CAMs. Tipicamente, i metodi di progettazione si focalizzano su posizione e velocità, trascurando l’assetto e causando possibili tempi di inattività del payload che peggiorano le prestazioni di missione. Questa tesi presenta un approccio che, sfruttando WaterCube, progetta una manovra di anticollisione con dinamica orbitale e d’assetto accoppiata, garantendo il corretto puntamento durante tutta la manovra. Diverse analisi validano il metodo. In primo luogo, viene formulato un problema di progettazione di CAM a breve preavviso volto a minimizzare il consumo di propellente con dinamica accoppiata. La soluzione ottimale è calcolata usando il multiple shooting come metodo diretto, analizzando diversi archi di spinta nell’ultima metà dell’orbita prima della collisione, sia nel caso di spinta tangenziale che radiale. Successivamente, la formulazione è adattata per studiare il comportamento della direzione di spinta ottimale al variare dell’intervallo tra manovra e collisione. La soluzione prevede di utilizzare sia il simple che il multiple shooting. Infine, tale informazione è usata per pianificare una CAM 24 ore prima del tempo di minima distanza (TCA) tramite simple shooting. La soluzione continua è discretizzata mediante modulazione di larghezza d’impulso (PWM) per garantirne la fattibilità rispetto ai requisiti di bordo. I risultati dimostrano l’affidabilità dei metodi proposti nell’utilizzare WaterCube per assicurare la sicurezza del satellite e il corretto puntamento.