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Advanced orbit propagation methods applied to asteroids and space debris

机译：适用于小行星和空间碎片的先进轨道传播方法

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摘要

Los asteroides y la basura espacial plantean amenazas relevantes para la civilización, tanto en el espacio como en la tierra. Al mismo tiempo, presentan varios desafíos científicos y ingenieriles en común, que tienen que ser enfrentados en el contexto de la Space Situational Awareness (SSA). Para mejorar las tecnologías de SSA actuales y futuras, se necesitan métodos de propagación de órbita robustos y eficientes. El objetivo principal de esta tesis es demonstrar que métodos basados en formulaciones regularizadas de la dinámica aseguran importantes ventajas en los problemas de propagación de asteroides y basura espacial más difíciles. Las formulaciones regularizadas se obtienen eliminando la singularidad 1{r2 en las ecuaciones de movimiento Newtonianas a través de un procedimiento analítico. Las ecuaciones regularizadas resultantes exhiben prestaciones numéricas excelentes. En esta tesis, consideramos la formulación Kustaanheimo-Stiefel y varios métodos de la familia Dromo, que representan la trayectoria con un conjunto de elementos orbitales no clásicos. En la primera parte, nos concentramos en la propagación orbital de encuentros cercanos planetarios, y consideramos distintos casos de prueba. Como escenarios de alta relevancia aplicativa, propagamos encuentros resonantes de varios asteroides ficticios, midiendo el error en las coordenadas en el b-plane. Para generalizar los resultados, llevamos a cabo simulaciones a gran escala en el problema de los tres cuerpos restringido circular usando una parametrización bidimensional. Analizamos el caso del asteroide (99942) Apophis, dedicando atención particular a la amplificación del error numérico consecuente a su encuentro cercano profundo en el 2029. La segunda parte está dedicada a la predicción de largo plazo de órbitas de satélites terrestres. Comparamos formulaciones regularizadas a un método semianalítico en elementos equinocciales para distintos regímenes orbitales y perturbaciones. Los parámetros que afectan la eficiencia de la propagación semianalítica se calibran con un análisis de las diferentes contribuciones al error de integración, que también expone los límites de aplicación de estos métodos. Las formulaciones regularizadas tienen evidentes ventajas para órbitas altamente elípticas y super-síncronas, y tienen prestaciones prometedoras para análisis de tiempo de vida y exploraciones numéricas del espacio cislunar. En la tercera y última parte, se presentan unas aplicaciones a la prevención de impactos asteroidales. Exponemos los resultados de una deflexión geográfica del asteroide ficticio 2015PDC obtenida con un sistéma Ion Beam Shepherd. Finalmente, desarrollamos un estudio sistemático de los potenciales retornos resonantes del asteroide ficticio 2017PDC después de su deflexión con un artefacto nuclear. ----------ABSTRACT---------- Asteroids and space debris pose relevant menaces to civilization, both on ground and in space. Simultaneously, they present a number of common engineering and scientific challenges that must be tackled in the realm of Space Situational Awareness (SSA). As to improve current and future SSA technologies, robust and efficient orbit propagation methods are required. The main goal of the present thesis is to demonstrate that regularized formulations of dynamics entail significant advantages in the most demanding orbit propagation problems for asteroids and space debris. Regularized formulations are obtained by eliminating the 1{r2 singularity in Newtonian equations of motion through an analytical procedure. The resulting regularized equations exhibit an excellent numerical performance. In this thesis, we consider the Kustaanheimo-Stiefel formulation and several methods of the Dromo family, which represent the trajectory through a set of non-classical orbital elements. In the first part, we focus on the orbit propagation of planetary close encounters, taking into account several test cases. As scenarios of relevant practical importance, we propagate resonant returns of several fictitious asteroids and measure the error in the b-plane coordinates. To generalize the results, we carry out large-scale simulations in the Circular, Restricted Three- Body Problem by means of a bi-dimensional parametrization. We analyse the case of the asteroid (99942) Apophis, devoting particular attention to the amplification of the numerical error consequent to its deep close encounter in 2029. The second part is dedicated to the long-term prediction of Earth satellite orbits. We compare regularized formulations to a semi-analytical method based on equinoctial elements for several orbital regimes and perturbations. The parameters affecting the semi-analytical propagation efficiency are finetuned by analysing the different contributions to the integration error, which also gives insight on the limits of applicability of semi-analytical methods. Regularized formulations compare very favourably for highly elliptical and super-synchronous orbits, which encourages their application to lifetime analyses and numerical explorations of the cislunar space. Applications to asteroid impact avoidance are presented in the third part. We show the results of a geographical deflection of the fictitious asteroid 2015PDC obtained with an Ion Beam Shepherd spacecraft. Finally, we perform a systematic study of the potential resonant returns of the fictitious asteroid 2017PDC after its deflection by a nuclear device.
机译：小行星和太空碎片对太空和地球上的文明构成了相关的威胁。同时，它们提出了一些常见的科学和工程挑战，这是在空间态势感知（SSA）的背景下必须面对的。为了改善当前和未来的SSA技术，需要鲁棒且有效的轨道传播方法。本文的主要目的是证明基于正则化动力学公式的方法可确保在最困难的小行星和空间碎片传播问题中具有重要的优势。通过分析程序消除牛顿运动方程中的奇异性1 {r2，可以得到正规化的公式。所得的正则方程具有出色的数值性能。在本文中，我们考虑了Kustaan​​heimo-Stiefel公式和各种Dromo族方法，它们代表了具有一组非经典轨道元素的轨迹。在第一部分中，我们着重研究近距离行星相遇的轨道传播，并考虑不同的测试案例。作为具有高度应用相关性的场景，我们传播各种虚构小行星的共振相遇，从而测量b平面上的坐标误差。为了概括结果，我们使用二维参数化对三约束循环问题进行了大规模仿真。我们分析了小行星（99942）Apophis的情况，并特别关注了因2029年深空相遇而导致的数值误差的放大。第二部分专门研究了地面卫星轨道的长期预测。我们将正则化的公式与针对不同轨道状态和干扰的等量元素的半解析方法进行比较。通过分析对积分误差的不同贡献来校准影响半分析传播效率的参数，这也暴露了这些方法的应用局限性。正则化公式对于高度椭圆和超同步轨道具有明显的优势，并且在生命周期分析和对月球空间的数值探索方面具有可观的性能。在第三部分和最后一部分中，介绍了一些预防小行星撞击的应用。我们介绍了用离子束牧羊人系统获得的虚构小行星2015PDC的地理偏向结果。最后，我们对虚构的2017PDC小行星在通过核装置偏转后的潜在共振回馈进行了系统的研究。 ----------摘要----------小行星和太空碎片对地面和太空的文明都构成了威胁。同时，它们提出了许多在空间态势感知（SSA）领域必须解决的常见工程和科学挑战。为了改进当前和未来的SSA技术，需要鲁棒且有效的轨道传播方法。本论文的主要目的是证明，在最苛刻的小行星和空间碎片轨道传播问题中，正规化的动力学公式具有明显的优势。通过分析程序消除牛顿运动方程中的1 {r2奇点，可以得到正规化的公式。所得的正则方程具有出色的数值性能。在本文中，我们考虑了Kustaan​​heimo-Stiefel公式和Dromo家族的几种方法，它们通过一组非经典轨道元素来表示轨迹。在第一部分中，我们考虑了几个测试案例，重点研究了行星近距离相遇的轨道传播。作为具有实际实际意义的方案，我们传播了几个虚拟小行星的共振返回，并测量了b平面坐标中的误差。为了概括结果，我们通过二维参数化对圆形受限三体问题进行了大规模仿真。我们分析了小行星（99942）Apophis的情况，特别关注由于2029年深深相遇而造成的数值误差的放大。第二部分致力于地球卫星轨道的长期预测。我们将正规化的公式与基于等轨道元素的几种轨道状态和扰动的半解析方法进行比较。通过分析对积分误差的不同贡献来微调影响半分析传播效率的参数，这也使我们了解了半分析方法的适用范围。对于高度椭圆和超同步的轨道，正规化的公式相比非常有利，这鼓励了它们在顺子空间的寿命分析和数值探索中的应用。第三部分介绍了避免小行星撞击的应用。我们展示了用离子束牧羊人航天器获得的虚拟小行星2015PDC的地理偏向结果。最后，我们对虚拟小行星2017PDC在被核装置偏转后的潜在共振返回进行了系统的研究。

著录项

  • 作者

    Amato, Davide;

  • 作者单位
  • 年度 2018
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 eng
  • 中图分类

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