Design and sensitivity analysis of an  Earth observation mission's operating orbit  in the absence of injection into the Sun-synchronous orbit

Kosari, Amirreza; Saghari, Asad; Khoshsima, Masoud

doi:10.22034/jsst.2021.1245

Design and sensitivity analysis of an Earth observation mission's operating orbit in the absence of injection into the Sun-synchronous orbit

Document Type : Original Research Paper

Authors

Amirreza Kosari ¹

Asad Saghari ²

Masoud Khoshsima ³

¹ Associate Professor, Faculty of New Sciences and Technologies, University of Tehran, Tehran, Iran

² PhD Student, Faculty of New Sciences and Technologies/University of Tehran, Tehran, Iran

³ Assistant Professor, Satellite Systems Research Institute, Iranian Space Research Center, Tehran, Iran

10.22034/jsst.2021.1245

Abstract

This article investigates an operational orbit's design and sensitivity analysis for Earth observation (EO) missions in non-sun-synchronous orbits. Sun-synchronous orbits are the primary choice for deploying EO satellites, but in the absence of access to such orbits, alternative options can be considered, including multi-sun-synchronous orbits (MSSO) capable of repeating ground track (RGT).
In this research, sets of such orbits are designed, taking into account the defined mission and considering the available altitude and inclination of the orbit. To achieve this, a constrained search problem is formulated, considering the constraints related to the characteristics of multi-sun-synchronicity and repeating ground tracks to search for orbit characteristics.
Furthermore, to identify the allowable range of injection errors, a sensitivity analysis of the designed orbit's characteristics has been conducted to assess their sensitivity to uncertainties in injection accuracy during a case study investigation.

Keywords

Multi Sun-Synchronous Orbit (MSSO)

Earth Observation mission

Repeat Ground Track Orbits (RTGO)

Sensitivity Analysis

Uncertainty

20.1001.1.20084560.1400.14.4.1.4

Subjects

Space systems design (spacecraft, satellites, space stations and their equipment)

Article Title Persian

طراحی و تحلیل حساسیت یک مدار عملیاتی برای کاربردهای پایش زمین در نبود امکان تزریق به مدار خورشیدآهنگ

Authors Persian

امیررضا کوثری ¹

اسد صاغری ²

مسعود خوش سیما ³

¹ دانشیار، گروه مهندسی هوافضا، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، تهران، ایران

² دانشجوی دکتری، گروه مهندسی هوافضا، دانشکده علوم وفنون نوین، دانشگاه تهران، تهران، ایران

³ استادیار، پژوهشکده سامانه های ماهواره، پژوهشگاه فضایی ایران، تهران، ایران

Abstract Persian

در این مقاله به بررسی ، طراحی و تحلیل حساسیت یک مدار عملیاتی برای ماموریت‌های پایش زمین در مدار غیر خورشیدآهنگ پرداخته شده است. مدارهای خورشیدآهنگ گزینه اصلی استقرار ماهواره‌های پایش زمین هستند، اما در نبود امکان دستیابی به چنین مدارهایی گزینه‌‌های دیگری نیز قابل بررسی هستند که شامل مدارهای چند خورشیدآهنگ با قابلیت تکرار رد زمینی می‌شوند. در اینجا با توجه به ارتفاع و شیب مداری دردسترس، مجموعه‌ای از این نوع مدارها با درنظر گرفتن ماموریت تعریف شده طراحی می شوند. به این منظور با تشکیل یک مسئله جستجو مقید، و با درنظر گرفتن قیدهای مربوط به ویژگی چند خورشیدآهنگی و تکرارشوندگی رد زمینی، به جستجوی مشخصه‌های مداری پرداخته شده است. در ادامه با هدف شناسایی محدوده مجاز در خطای تزریق مداری تحلیل حساسیت ویژگی‌های این مدارها نسبت به عدم‌قطعیت‌های دقت تزریق طی مطالعه موردی مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته است.

Keywords Persian

مدار چند خورشیدآهنگ

ماموریت پایش زمین

تکرار رد زمینی

تحلیل حساسیت

عدم قطعیت

[1] C. Ulivieri and L. Anselmo, "Multi-sun-synchronous (MSS) orbits for earth observation," Astrodynamics 1991, pp. 123-133, 1992.

[2] C. D. Noyes, "Characterization of the Effects of a Sun-Synchronous Orbit Slot Architecture on the Earth's Orbital Debris Environment," Master Thesis, The Faculty of California Polytechnic State University San Luis Obispo, 2013.

[3] G. R. Hintz, Orbital mechanics and astrodynamics: Springer, 2015.

[4] Y. Zhang, Y. Xu, and H. Zhou, Theory and Design Methods of Special Space Orbits: Springer, 2017.

[5] E. Watson, "Sun-synchronous orbit slot architecture analysis and development," M.Sc. Thesis, The Faculty of California Polytechnic State University San Luis Obispo 2012.

[6] M. Capderou, Satellites: Orbits and missions: Springer Science & Business Media, 2006.

[7] C.-Y. Wang, "Celestial mechanics and astrodynamics: theory and practice, by P. Gurfil and PK Seidelmann: Scope: textbook. Level: postgraduate, researcher, scientist," ed: Taylor & Francis, 2017.

[8] M. Capderou, Handbook of satellite orbits: From kepler to GPS: Springer Science & Business, 2014.

[9] K. Bilimoria and R. Krieger, "Slot architecture for separating satellites in sun-synchronous orbits," in AIAA SPACE 2011 Conference & Exposition, 2011, p. 7184.

[10] R. Sandau, H.-P. Roeser, and A. Valenzuela, "Small satellite missions for earth observation," New Developments and Trends, 2010.

[11] D. Mortari, M. P. Wilkins, and C. Bruccoleri, "On sun-synchronous orbits and associated constellations," in Paper of the 6-th Dynamics and Control of Systems and Structures in Space Conference, Riomaggiore, Italy, 2004, p. 43.

[12] E. Ortore, C. Circi, C. Ulivieri, and M. Cinelli, "Multi-sunsynchronous orbits in the solar system," Earth, Moon, and Planets, vol. 111, no. 3, pp. 157-172, 2014.

[13] C. Circi, E. Ortore, F. Bunkheila, and C. Ulivieri, "Elliptical multi-sun-synchronous orbits for Mars exploration," Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy, vol. 114, no. 3, pp. 215-227, 2012.

[14] X. Fu, M. Wu, and Y. Tang, "Design and maintenance of low-Earth repeat-ground-track successive-coverage orbits," Journal of Guidance, Control, and Dynamics, vol. 35, no. 2, pp. 686-691, 2012.

[15] S. W. Paek and S. Kim, "Space-based Earth remote sensing: Part 1. Satellite orbit theory," Satellite Oceanography and Meteorology, vol. 3, Issue 2, pp.1-11, 2018.

[16] X. Luo, M. Wang, G. Dai, and X. Chen, "A novel technique to compute the revisit time of satellites and its application in remote sensing satellite optimization design," International Journal of Aerospace Engineering, vol. 2017, no. 6. pp. 1-6, 2017.