Orbital transfer optimization for LEO satellites

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Santos, João Miguel Caetano dos
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10400.6/13961
Resumo: Orbital transfers are important because they allow us to perform a transfer between two orbits at different altitudes, inclinations, or eccentricities using an intermediary elliptical orbit, orbit transfers can be used to re-orbit satellites or even intercept missiles, in this dissertation we studied different methods of performing these Orbital transfers. We can divide the orbit transfer into two main categories, the classic methods and the non-classic methods. The classic method also known as the Hohmann orbit transfer was described in 1925 by Walter Hohmann, the problem with this method is that it has the restriction of the orbit transfer having to start in the apogee or the perigee of the initial orbit and ending at the perigee or the apogee of the final orbit respectively. In order to bypass these problems, we use the non-Hohmann orbit transfer which allows us to execute the orbit transfer starting at any point of the initial orbit and finishing at any point of the final orbit, minimizing the cost function. The main objective of the thesis is to find the method for each type of orbit transfer minimizes the global energy used without having the limitations of the normal methods such as the Hohmann transfer. In the dissertation we will study three cases, the coplanar Hohmann transfer orbit, the coplanar non-Hohmann transfer orbit, and the non-coplanar non-Hohmann transfer orbit. In order to model these orbit transfers we used GMAT (General Mission Analysis Tool) which is a tool of NASA that allows the user to create an orbit transfer between two orbits chosen by the user. In the non-Hohmann cases the state variables used in the coplanar cases were the radius, the true anomaly, the radial velocity and the transverse velocity, the control variables were the acceleration and the control acceleration direction. For the non-coplanar case the state variables were the spherical coordinates of position and the spherical components of velocity, the control variables were the acceleration and the thrust direction angles. The results obtained were satisfactory despite in some graphs the results having some bumps at the beginning and end of the transfer orbit that was because of the low number of iterations.
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spelling Orbital transfer optimization for LEO satellitesTransferência de Orbita Terrestre BaixaTransferência Não-Hohmann LeoTransferência Orbital Não CoplanarTransferência Orbital ÓtimaDomínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia AeronáuticaOrbital transfers are important because they allow us to perform a transfer between two orbits at different altitudes, inclinations, or eccentricities using an intermediary elliptical orbit, orbit transfers can be used to re-orbit satellites or even intercept missiles, in this dissertation we studied different methods of performing these Orbital transfers. We can divide the orbit transfer into two main categories, the classic methods and the non-classic methods. The classic method also known as the Hohmann orbit transfer was described in 1925 by Walter Hohmann, the problem with this method is that it has the restriction of the orbit transfer having to start in the apogee or the perigee of the initial orbit and ending at the perigee or the apogee of the final orbit respectively. In order to bypass these problems, we use the non-Hohmann orbit transfer which allows us to execute the orbit transfer starting at any point of the initial orbit and finishing at any point of the final orbit, minimizing the cost function. The main objective of the thesis is to find the method for each type of orbit transfer minimizes the global energy used without having the limitations of the normal methods such as the Hohmann transfer. In the dissertation we will study three cases, the coplanar Hohmann transfer orbit, the coplanar non-Hohmann transfer orbit, and the non-coplanar non-Hohmann transfer orbit. In order to model these orbit transfers we used GMAT (General Mission Analysis Tool) which is a tool of NASA that allows the user to create an orbit transfer between two orbits chosen by the user. In the non-Hohmann cases the state variables used in the coplanar cases were the radius, the true anomaly, the radial velocity and the transverse velocity, the control variables were the acceleration and the control acceleration direction. For the non-coplanar case the state variables were the spherical coordinates of position and the spherical components of velocity, the control variables were the acceleration and the thrust direction angles. The results obtained were satisfactory despite in some graphs the results having some bumps at the beginning and end of the transfer orbit that was because of the low number of iterations.As transferências orbitais são importantes porque nos permitem realizar a transferência entre duas órbitas a diferentes altitudes, inclinações ou excentricidades atravez de uma orbita eliptica intermédia, entre os seus usos está a re-orbitação de satélites ou até mesmo a interceptação de mísseis, nesta dissertação vamos estudar diferentes métodos de realizar estas transferências Orbitais. Podemos dividir a transferência de órbita em duas categorias principais, os métodos clássicos e os métodos não clássicos. O método clássico também conhecido como transferência de órbita de Hohmann foi descrito em 1925 por Walter Hohmann, o problema deste método é que obriga a orbita de tranferência a começar no apogeu ou perigeu da orbital inicial e a acabar no perigeu ou apogeu da órbita final respectivamente, devido a este problema o método acaba por consumir mais energia e tempo do que é realmente necessário. Para contornar estes problemas, usamos a transferência orbital não-Hohmann que nos permite executar a mesma começando em qualquer ponto da órbita inicial e terminando em qualquer ponto da órbita final, minimizando uma função de custo. Para a resolução do problema da transferência orbital não-Hohmann iremos utilizar o método directo que consiste em dividir a trajectória em vários segmentos evitando que seja necessário derivar a função de custo permitindo que o problema seja resolvido com o método de programação não-linear (NLP). O objetivo principal desta tese é encontrar o método para cada tipo de transferência orbital que minimiza a energia global usada sem ter limitações quanto ao seu uso como os métodos clássicos tais como a transferência de Hohmann têm. Na dissertação foram estudados três casos, a órbita de transferência coplanar de Hohmann, a órbita de transferência coplanar não-Hohmann e a órbita de transferência não-coplanar não-Hohmann. Para modelar essas transferências orbitais foi utilizado o GMAT (General Mission Analysis Tool) que é uma ferramenta da NASA e que permite ao utilizador criar uma transferência orbital entre duas órbitas escolhidas pelo usuário com a ajuda das ferramentas que disponibiliza para o processamento dos dados tais como a ferramenta obter (achieve), propagar (propagate) e manobra (maneuver) podendo retirar do programa dados importantes como o tempo necessário para realizar a transferência orbital, a energia necessária a cada impulso, as coordenadas e velocidades do satélite na órbita em cada momento utilizando a ferramenta reportar (report). Nos casos não-Hohmann as variáveis de estado usadas no caso coplanar foram o raio, a anomalia verdadeira, a velocidade radial e a velocidade transversal e as variáveis de controlo foram a aceleração e a direção de aceleração de controlo. As variáveis de estado usadas no caso não coplanar foram as coordenadas esféricas da posição e os componentes esféricos da velocidade, as variáveis de controlo foram a aceleração e os ângulos de direção da tração. Os resultados obtidos foram satisfatórios apesar de em alguns gráficos os resultados apresentarem alguns valores fora do esperado no início e no fim da transferência orbital isso deve-se ao baixo número de iterações e não porque o método e modelo utilizado não foram os indicados. Os resultados gerais obtidos mostraram uma órbita de transferência consistente com a órbita de transferência obtida no GMAT. Com base nos resultados podemos concluir que os métodos das equações de Clohessy–Wiltshire para a transferência orbital de Hohmann e método da utilização das equações de movimento de satélites para as transferências orbitais não-Hohmann são indicados para resolver este tipo de problemas de transferência de órbita.Bousson, KouamanauBibliorumSantos, João Miguel Caetano dos2024-01-15T11:44:13Z2023-11-132023-10-062023-11-13T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10400.6/13961TID:203462610enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2024-01-17T03:48:15Zoai:ubibliorum.ubi.pt:10400.6/13961Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-20T01:45:04.082134Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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