Trajectory optimization for ESMO mission

The European Student Moon Orbiter (ESMO) is an educational mini-satellite project of the European Space Agency, planned to be the first student mission to the Moon. ESMO objective is to take various payloads to lunar orbit in order to acquire scientific data and take pictures of the Moon. The ESMO mission to the Moon is designed to use a Weak Stability Boundary transfer in order to save propellant (liquid propulsion has been chosen), and to be a secondary payload, which makes the trajectory optimization difficult and subject to various constraints. The Mission Analysis and Flight Dynamics studies for the mission have been performed at Glasgow University and Strathclyde University, creating two huge databases of very different and not always feasible solutions. In this work we try to find new optimization solutions from the already existing databases using MATLAB® function fmincon, also trying the implementation of a parallel method using the state transition matrix calculated with a variational approach to define the Jacobian matrix of derivatives of objective functions and constraints used by fmincon itself, in order to verify whether this approach can provide a more accurate and stable convergence in this specific case. The results found confirm that the method gives actually better results, with a lower number of function evaluations and sometimes better solutions, though it doesn’t seem to solve all the problems of the optimization, mostly the optimization with fixed parameters.

L'European Student Moon Orbiter (ESMO) e un mini-satellite con finalità educative, progettato per essere la prima missione lunare gestita da studenti. L'obiettivo di ESMO è portare vari payload nell'orbita lunare al fine di acquisire dati scientifici e scattare foto del nostro satellite. ESMO è progettato per utilizzare un trasferimento di tipo "Weak Stability Boundary" per risparmiare propellente (la scelta è ricaduta sulla propulsione liquida), e per essere un carico secondario sul lanciatore, il che rende l'ottimizzazione della traiettoria difficile e soggetta a vari vincoli. Gli studi di Analisi di Missione e Dinamica di Volo per la missione sono stati portati avanti dall'Università di Glasgow e dalla Strathclyde University, creando due ampi database di soluzioni molto varie e non sempre fattibili. In questo lavoro si cerca di trovare nuove soluzioni di ottimizzazione dai database già esistenti utilizzando la funzione MATLAB fmincon, tentando l'implementazione di un metodo parallelo che utilizzi la matrice di transizione degli stati calcolata con un approccio variazionale per definire la matrice Jacobiana di derivate delle funzioni obiettivo e dei vincoli usata dallo stesso fmincon, allo scopo di verificare se tale approccio può fornire una convergenza più accurata e stabile in questo caso specifico. I risultati trovati confermano che il metodo dà effettivamente risultati migliori, con un più basso numero di valutazioni di funzione e a volte soluzioni migliori, anche se non sembra risolvere tutti i problemi dell'ottimizzazione, soprattutto l'ottimizzazione con parametri fissati.