Journal of Space Science and Technology

Journal of Space Science and Technology

A Near-Optimal Approach for Planning Continuous-Thrust Orbital Transfers Considering Oblate Perturbation

Document Type : Original Research Paper

Authors
1 School of Advanced Technologies, Iran University of Scince and Technology, Tehran, Iran
2 College of Interdisciplinary Science and Technology, University of Tehran, Tehran, Iran
Abstract
This paper presents a novel approach for the optimal design of the orbital transfer trajectory of a satellite with proposed continuous-thrust. In this study, the thrust direction angle is approximated using a truncated Fourier series, with the Fourier coefficients selected via a genetic algorithm. The goal of this optimization is to ensure the satellite reaches the desired position in the final orbit while achieving tangential conditions at the entry and exit points, thereby minimizing fuel consumption. The advantage of the proposed method is its ability to account for orbital perturbations, such as the Earth's oblateness effect, without significantly increasing computational complexity. Additionally, the proposed model does not require a predefined number of orbital revolutions, offering high flexibility in mission design. Numerical results and simulations demonstrate that this method provides accurate and efficient transfers between different orbits. Furthermore, performance analysis of this method under varying parameters, such as thrust force and initial orbital conditions, shows its robustness and adaptability. Overall, this paper provides an efficient framework for designing continuous thrust maneuvers in space missions, leading to reduced fuel consumption, shorter operation times, and optimized mission costs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Keywords
Subjects

Article Title Persian

یک رویکرد نزدیک به بهینه به منظور برنامه ریزی یک مانور پیشران پیوسته با درنظرگیری اغتشاش پخیدگی زمین

Authors Persian

فاطمه جعفریان 1
مجید بختیاری 1
احسان عباسی 2
1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده فناوری‌های نوین، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
2 دکتری، دانشکده علوم و فناوری‌های میان رشته‌ای، دانشگاه تهران، تهران، ایران
Abstract Persian

این مقاله به ارائه یک رویکرد نوین برای طراحی بهینه مسیر انتقال مداری یک ماهواره با رانش پیوسته می‌پردازد. در این پژوهش، زاویه نشانه‌روی پیشران به‌عنوان پارامتر کنترلی با استفاده از سری فوریه محدود تقریب زده شده و ضرایب سری فوریه از طریق الگوریتم ژنتیک انتخاب شده است. هدف از این بهینه‌سازی، تضمین رسیدن به موقعیت مطلوب در مدار نهایی و تحقق شرایط مماسی در نقاط ورود و خروج جهت کاهش میزان پیشران مصرفی است. مزیت روش پیشنهادی، توانایی آن در لحاظ‌کردن اغتشاشات مداری، مانند اثر پخیدگی زمین، بدون افزایش قابل‌توجه پیچیدگی محاسبات است. مدل پیشنهادی همچنین نیازی به تعیین تعداد چرخش‌های مداری از پیش ندارد؛ بنابراین انعطاف‌پذیری بالایی در طراحی مأموریت دارد. نتایج عددی به‌دست‌آمده و شبیه‌سازی‌های انجام شده نشان می‌دهند که این روش، دقت و کارایی مناسبی در انتقال بین مدارهای مختلف دارد. همچنین، تحلیل عملکرد این روش در برابر تغییرات پارامترهایی نظیر نیروی رانش و شرایط اولیه مداری، نشان‌دهنده پایداری و قابلیت تطبیق بالای آن است. در مجموع، این مقاله یک چارچوب کارآمد برای طراحی مانورهای رانش پیوسته در مأموریت‌های فضایی ارائه داده است که به کاهش مصرف سوخت، کاهش زمان انجام عملیات و بهینه‌سازی هزینه‌های کلی مأموریت منجر شده است. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -

Keywords Persian

مانور رانش پیوسته
الگوریتم ژنتیک
رویکرد نزدیک به بهینه
اغتشاش پخیدگی زمین
طراحی مسیر
[1]   D. Malyuta, Y. Yu, P. Elango, and B. Açıkmeşe, "Advances in trajectory optimization for space vehicle control," Annual Reviews in Control, vol. 52, pp. 282–315, 2021, https://doi.org/10.1016/j.arcontrol.2021.04.013.
[2]   S. Lee, P. Von Allmen, W. Fink, A. F. Petropoulos, and R. J. Terrile, "Design and optimization of low-thrust orbit transfers," in Aerospace Conference, Big Sky, MT, USA, 2005, https://doi.org/10.1109/AERO.2005.1559377.
[3]   M. Fakoor, S. Sadeghi, and M. Bakhtiari, "Investigation of Low Thrust Optimal Orbital Transfer from LEO to GEO Considering Circular Orbits," The Journal of the Astronautical Sciences, vol. 67, no. 1, pp. 77-97, 2020. https://doi.org/10.1007/s40295-019-00184-1.
[4]   J. T. Betts, "Optimal low-thrust orbit transfers with eclipsing," Optimal Control Applications and Methods, vol. 36, no. 2, pp. 218–240, 2015, https://doi.org/10.1002/oca.2111.
[5]   G. I. Varga and J. M. Sánchez Pérez, "Many-revolution low-thrust orbit transfer computation using equinoctial Q-law including J2 and eclipse effects," in 6th International Conference on Astrodynamics Tools and Techniques, Darmstatd, Germany, vol. 1, pp. 29-42. 2016.
[6]   M. Pontani and B. Conway, "Optimal low-thrust orbital maneuvers via indirect swarming method," Journal of Optimization Theory and Applications, vol. 162, pp. 272-292, 2014, https://doi.org/10.1007/s10957-013-0471-9.
[7]   S. Sreesawet and A. Dutta, "A novel methodology for fast and robust computation of low-thrust orbit-raising trajectories," in 27th AAS/AIAA Space Flight Mechanics Meeting, San Antonio, Texas, 2017, pp. 1571-1590.
[8]   C. A. Kluever and S. R. Oleson, "Direct approach for computing near-optimal low-thrust earth-orbit transfers," Journal of Spacecraft and Rockets, vol. 35, no. 4, pp. 509-515, 1998, https://doi.org/10.2514/2.3360.
[9]   T. Haberkorn, P. Martinon, and J. Gergaud, "Low-thrust minimum-fuel orbital transfer: A homotopic approach," ournal of Guidance, Control, and Dynamics, vol. 27, no. 6, pp. 1046-1060, 2004, https://doi.org/10.2514/1.4022.
[10] E. Taheri and O. Abdelkhalik, "Shape-based approximation of constrained low-thrust space trajectories using Fourier series," Journal of Spacecraft and Rockets, vol. 49, no. 3, pp. 535-546, 2012, https://doi.org/10.2514/1.58789.
[11] E. Abbasali, M. Bakhtiari, and A. Panahyazdah, "An approach to near-optimal continuous-thrust solution : plane constellation deployment," Advances in Space Researchpp, vol. 75, no. 1, pp. 1217-1230, 2025, https://doi.org/10.1016/j.asr.2024.09.032.
[12] B. J. Wall and B. A. Conway, "Shape-based approach to low-thrust rendezvous trajectory design," Journal of Guidance, Control, and Dynamics, vol. 32, no. 1, pp. 95-101, 2009, https://doi.org/10.2514/1.36848.
 

Articles in Press, Accepted Manuscript
Available Online from 03 November 2025

  • Receive Date 29 July 2025
  • Revise Date 31 October 2025
  • Accept Date 31 October 2025
  • First Publish Date 03 November 2025