Small Satellite Maneuverability for Space Debris Management
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2024-08-19
Department
Major/Subject
Space Science and Technology
Mcode
ELEC3039
Degree programme
Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)
Language
en
Pages
78 + 2
Series
Abstract
The increasing accumulation of space debris presents a significant challenge to the sustainability of space operations. As more satellites are launched, the risk of collision with defunct satellites and other debris increases, threatening the safety of active missions. This thesis explores the feasibility of using small satellites, specifically CubeSats, to perform complex orbital maneuvers required for space debris management tasks, offering a cost-effective and versatile solution through the use of smaller satellites. The primary goal of this research was to evaluate the potential of state-of-the-art small satellite technology for conducting complex orbital maneuvers, particularly in the context of space debris management. The study utilized adaptive guidance algorithms to assess the feasibility of these missions, considering the inherent limitations of small satellites. These limitations include low-thrust propulsion systems and the errors associated with the attitude control and determination system, as well as propulsion system impulse execution. Key findings from the simulations indicate that CubeSats equipped with adaptive guidance strategies can achieve target orbits effectively, even in the presence of significant system errors. The Directional Adaptive Guidance (DAG) algorithm, in particular, was shown to mitigate errors in complex maneuvers involving changes in multiple orbital parameters, such as inclination, eccentricity, and semi-major axis. The results demonstrate that the attitude control and propulsion system requirements to perform these maneuvers are feasible with state-of-the-art CubeSat systems. These findings suggest that nano- and picosatellites can be employed in a broader range of missions, expanding the potential applications of small satellite technology in space operations. By providing a cost-effective method for space debris management, small satellites can significantly enhance the safety and sustainability of space missions. This research highlights the viability of using small satellites for tasks that require precise and complex orbital maneuvers, paving the way for future innovations in space operations.Avaruusromun kerääntyminen tietyillä kiertoradoilla aiheuttaa merkittävän ja kasvavan uhan avaruuden kestävälle käytölle. Laukaistujen satelliittien määrän kasvaessa uhka törmäyksestä satelliittien ja avaruusromun välillä kasvaa aiheuttaen uhan tiettyjen kiertoratojen turvalliselle käytölle. Tämä työ tutkii piensatelliittien, erityisesti CubeSatien, soveltuvuutta avaruusromun hallinnan tehtäviin lentoradan hallinnan näkökulmasta. Piensatelliittien käyttö mahdollistaisi avaruusromun hallinnan entistä laajemmalla skaalalla madaltuneiden kustannusten vuoksi. Työn päätavoite on selvittää piensatelliittien kykyä suorittaa monimutkaisia kiertoratamanöövereitä olemassa olevalla asennonsäätö- ja propulsiotekniikalla. Työ hyödyntää mukautuvia ohjausalgoritmeja piensatelliittien suorituskyvyn kehittämisessä huomioiden piensatelliittitekniikan rajoitteet satelliitin asennon ja sijainnin mittaamisessa sekä asennon ohjauksessa. Lisäksi merkittävä haaste piensatelliittitekniikassa on työntövoimayksiköiden rajoitteet, kuten matala työntövoima ja epävarmuus toteutuneen impulssin suuruudessa. Työ suoritettiin analysoimalla erilaisia skenaarioita simulaatioympäristössä, joiden avulla selvisi että mukautuvaan ohjausstrategiaan perustuva ohjausalgoritmi kykenee saavuttamaan tavoitellun kiertoradan järjestelmän merkittävistä tarkkuuden puutteista huolimatta. Mukavutuvaan ohjaustrategiaan perustuva navigointialgoritmi kykeni simulaatiossa suorittamaan erilaisia haastavia kiertoratamanöövereitä, kuten yhdistettyjä muutoksia inklinaatiossa, eksentrisyydessä ja kiertoradan isoakselin puolikkaan pituudessa. Tulokset osoittavat, että nykyisellä piensatelliittitekniikan suorituskyvyllä on mahdollista suorittaa monimutkaisia kiertoratamanöövereitä jotka auttavat avaruusromun hallinnassa. Tulosten pohjalta johdettiin kaksi uudenlaista satelliittimissiokonseptia jotka hyödyntävät mukautuvien ohjausstrategioiden mahdollistamia kiertoratamanöövreitä. Tämän työn tulokset osoittavat että piensatelliitteja voidaan hyödyntää nykyistä laajemmin haastavissa avaruusmissioissa. Piensatelliitit tarjoavat täten kustannustehokkaan tavan suorittaa avaruusromun hallintaan vaadittuja tehtäviä osana avaruuden kestävän käytön turvaamista.Description
Supervisor
Praks, JaanThesis advisor
Praks, JaanKeywords
space debris, orbital rendezvous, CubeSat, directional adaptive guidance, propulsion
