Conjunction analysis and collision avoidance maneuvers for electrodynamic tether missions

This Master's thesis presents an astrodynamics study on Conjunction Analysis and Collision Avoidance Maneuvers for electrodynamic tether systems. The main purpose of the thesis is to analyze the risks of impact between satellites and space debris, and study in detail the processes which minimize the possibility that spacecraft collide with other orbiting objects. The research work is related to space sustainability and Space Situational Awareness (SSA), which concerns the understanding of Space through the tracking of resident space objects (RSO), in other words all those objects that orbit the Earth, with the goal of preventing collisions to protect the space environment and the use of extra-atmospheric resources. When evaluating the level of impact risk, i.e. estimating the probability that a close approach becomes a collision, some fundamental data related to the two identified objects are considered: size, orbital parameters and position covariance. However, the knowledge of a body’s orbital position and its future evolution is influenced by the effect of errors on measurements and by the presence of different perturbative terms, such as atmospheric drag and solar radiation pressure. This thesis aims to create a model using MATLAB to investigate the uncertainties on this type of analysis, the probability of collision, the accuracy and the time tolerance necessary for carrying out the orbital correction maneuvers. In particular, satellites in LEO orbits (Low Earth orbits) equipped with tethered deorbiting devices are considered for the analysis. These electrodynamic tether systems are qualified as green technologies, because they do not require the consumption of propellant to perform the maneuvers, but base their functioning on switching on and off the current inside the tether, through which they can change the rate of descent. The model and the results of the simulations, carried out at different altitudes and orbital inclinations, represent a tool to ensure the safety of electrodynamic tether missions that can be integrated into solution strategies for the space debris problem.

Questa Tesi Magistrale presenta uno studio di astrodinamica sulle Conjunction Analysis, ossia le Analisi delle Congiunzioni tra satelliti e altri oggetti nello spazio, e sulle manovre di correzione orbitale (Collision Avoidance Maneuvers) per sistemi spaziali a filo elettrodinamico. Lo scopo principale della tesi è quello di analizzare i rischi d’impatto fra satelliti e detriti spaziali e studiare in modo dettagliato i processi che riducono al minimo la possibilità che i veicoli spaziali si scontrino con altri oggetti orbitanti. Il lavoro di tesi si inserisce nell’ambito della sostenibilità spaziale e della Space Situational Awareness (SSA), che riguarda la comprensione dello Spazio attraverso il tracciamento dei resident space objects (RSO), ovvero di tutti quegli oggetti che orbitano attorno alla Terra, con l’obiettivo di prevenire eventuali collisioni per proteggere l’ambiente spaziale e l’uso delle risorse extra-atmosferiche da parte dell’uomo. Quando si vuole valutare il livello di rischio d’impatto, ossia stimare la probabilità che un approccio ravvicinato diventi una collisione, bisogna considerare alcuni dati fondamentali relativi ai due oggetti identificati: la dimensione, i parametri orbitali e la covarianza. Tuttavia, la conoscenza della posizione orbitale di un corpo in orbita e della sua futura evoluzione è influenzata dall’effetto degli errori sulle misure e dalla presenza di diversi termini perturbativi, come il drag atmosferico e la pressione di radiazione solare. La presente tesi si propone di realizzare un modello tramite il software MATLAB per determinare le incertezze su questo tipo di analisi, la probabilità di collisione, l’accuratezza e la tolleranza temporale necessaria per lo svolgimento delle manovre di correzione. In particolare, sono considerati satelliti in orbite LEO (orbite terrestri basse) dotati di dispositivi per il deorbiting di tipo tethered. Questi sistemi a filo elettrodinamico vengono qualificati come tecnologie green, in quanto non prevedono il consumo di propellente per eseguire le manovre, ma basano il loro funzionamento sullo spegnimento o sulla modulazione della corrente all’interno del tether, attraverso cui possono cambiare il rateo di discesa. Il modello e i risultati delle simulazioni, svolte a diverse altitudini e inclinazioni orbitali, costituiscono uno strumento per garantire la sicurezza delle missioni con sistemi elettrodinamici a filo che può essere integrato nelle strategie di soluzione per il problema dei detriti spaziali.