SGDC: UM ESTUDO DE CASO PARA OTIMIZAÇÃO DE MANOBRAS DE EVASÃO

OPTIMIZATION

Maj Eng Machado Alves Concluiu o EAOEAR em 2008. Possui graduação em Engenheira Elétrica pela Universidade de Contato: igorima@fab.mil.br

Ten Cel Av Rafael de Almeida Concluiu o CFOAv em 2002. Possui mestrado em Operações de Sistemas Espaciais pela Naval COMAE.

Contato: duquerad@fab.mil.br

RESUMO

Com o início da operação do Satélite Geoestacioná em 2017, novas capacidades se tornaram necessárias à Força Aérea Brasileira. O planejamento e a execução de manobras de evasão tornaram-se uma realidade no Comando da Aeronáutica quando assumiu o controle dual do SGDC. Em menos de um ano de operação, duas situações distintas demandaram a execução de manobras de afastamento de objetos presente estudo de caso sobre a aproximação ocorrida em setembro de 2017 entre os satélites SGDC e GOES-13 propõe a otimização de manobras evasivas objetivando alcançar valores seguros de operação com baixo consumo de combustível e reduzido impacto na operação do SGDC.

Otimização de manobras. Manobras Evasivas. Satélite Geoestacionário. SGDC. With the beginning of operation of the Geostationary Satellite of Defense and Strategic Communications to the Brazilian Air Force. The planning and execution of collision avoidance maneuvers became a reality in the Aeronautics Command when it assumed the dual control of the SGDC. In less than a year of operation, two unique situations required the execution of collision avoidance maneuvers of objects with close approach less than 10 km. The present case study relates to an approach between the SGDC and GOES-13 satellites on September of 2017. It proposes the optimization of collision avoidance maneuvers in order to achieve safe distance operating values with low fuel consumption and low operations impact on SGDC.

Evasive Maneuvers. Geostationary Satellite. Optimization. SGDC. Space Situation Awareness. SSA.

O Satélite Geoestacionário de Defesa e Co de 2017 e operado no Centro de Operações Espa sa , na França, e seus principais objetivos são fornecer comunicações estratégicas ao sistema de defesa brasileiro e banda larga em todo em fase de construção na Empresa Thales Alenia Em agosto de 2017, o SGDC encontrava-se colocalizado com outros dois satélites: GOES-13 e StarOne C3.

Figura 1 - SGDC em fase de construção. FONTE: VISIONA Tecnologia Espacial

sua posição orbital, a National Oceanic and Atmos tationary Operational Environmental Satellite System com que o GOES-13 cruzasse os limites de longi a propagação da longitude da órbita do GOES-13 passando pelos limites de controle em longitude do SGDC no período entre 21 e 29 de setembro de 2017. Todo o planejamento de manobras do SGDC foi baseado nos dados orbitais do GOES-13, fornecidos para um período de aproximadamente 60 dias de propagação. Devido a mudanças no planejamento inicial do GOES-13, durante o cálculo das manobras de manutenção de órbita do SGDC foi constatado inferior a 8 km, em 11 de setembro de 2017. Uma nova estratégia de evasão foi adotada obtendo um afastamento mínimo de 12,2 km. Entretanto, as manobras realizadas resultaram em maior consumo de combustível e manobras não nominais. O presente estudo apresenta uma proposta de otimização de manobras de evasão para o SGDC. Este estudo propõe uma estratégia que poderia ter sido utilizada com vistas para reduzir o consumo, manter o cronograma inicial de manobras e aumen de tempo para cálculo e execução.

I A operação da plataforma SGDC é feita de forma dual entre o COMAER, através do Comando empresa pública Telecomunicações Brasileiras SA Banda X, exclusivamente operada por militares, e da Banda Ka, de operação exclusiva da TELEBRAS. O satélite está inserido em uma órbita geossíncrona com inclinação máxima de 0,05º, localizada a aproximadamente 35.796 km da superfície terrestre. O SGDC deve permanecer em sua posição orbital mesmo encontra-se colocalizado com dois outros C3 da StarOne. A estratégia de manutenção da órbita do SGDC baseia-se num ciclo de 14 dias, com mano ciclo. As manobras NS e SN visam corrigir a inclinação da órbita, cujo valor máximo estabelecido para a operação é de 0,05º norte e 0,05° sul. As manobras EW são executadas com o objetivo de corrigir o desvio em longitude, mantendo o SGDC entre -74,9ºW e A Fig. 3 mostra a decolagem do vôo VA236 realizado pelo foguete Ariane 5 da empresa Arianespace responsável por colocar o SGDC em órbita.

A TELEBRAS é participante da Association de satélites através do envio de alertas de aproxi para o SGDC, os alertas recebidos da SDA informam sobre aproximações inferiores a 50 km e previstas para um período de 30 dias, permitindo a adoção de operação do SGDC. Durante o primeiro ano de atividade do SGDC sob o controle do COMAE, foram recebidos mais de 30 alertas de detritos com aproximações inferiores a 50 km. De junho a dezembro de 2017, em duas situações distintas, foram executadas manobras de evasão de dois objetos com afastamentos mínimos previstos inferiores a 10 km. Para os demais objetos com aproximações mínimas superiores a 10 km e inferiores a 50 km, o COMAE mantém apenas um registro. A colocalização do SGDC com o satélite da NOAA e o satélite da StarOne favorece a interação entre os Centros de operação e o envio de dados orbitais de seus respectivos satélites. O compartilhamento de informações sobre o posicionamento e manobras proporciona uma operação mais segura aos agentes envolvidos.

Nos meses anteriores à passagem do GOES13 pela posição orbital do SGDC, os operadores da NOAA encaminharam ao COPE os dados orbitais do GOES-13 com as manobras previstas a serem executadas por ocasião de seu reposicionamento orbital. Essa informação foi utilizada pela equipe do COMAE e TELEBRAS na elaboração de uma estratégia de afastamento. Em 11 de setembro de 2017, durante o pla estratégia inicialmente traçada para o SGDC fosse os satélites ocorreria em 27 de setembro de 2017 e seria inferior a 8 km. Assim, o limite mínimo estabelecido pelos operadores do SGDC, que é de 10 km, seria ultrapassado. Uma nova estratégia de evasão foi planejada e executada, inclusive utilizando-se nais no início da vida útil do SGDC.

I otimizadas utilizou-se os softwares STK da empresa AGI e o software MATLAB da empresa MathWorks. de posição inicial do SGDC foram inseridos no sof cidos pelo operador da NOAA também foram inseri cia entre os satélites. O software MATLAB foi utilizado para execução do algoritmo de otimização para encontrar os valores de uma ou mais manobras de evasão. O algoritmo patternseach, método clássico de solução não linear do MATLAB foi escolhido para aperfeiçoar uma função cujo objetivo principal seria aumentar a A função alvo da otimização possuía como entradas os horários das manobras e as variações como: excentricidade máxima, inclinação máxima, nima entre satélites. Em linhas gerais, o MATLAB otimizou uma culo de propagação de órbita realizada pelo STK. O procedimento empregado consistiu em manter os dias de execução das manobras mais próximas da agenda do satélite, alterando-se o delta-V, limitado aos valores usualmente empregados durante a operação nominal. O objetivo foi aumentar o afastamento mínimo entre os satélites com o menor foram inseridos nos módulos INCLON e SOLONG do software FocusGEO da GMV para cálculo dos valores das manobras EW e NS. O software FocusGEO é utilizado na operação do SGDC para as atividades relativas a análises e geração de produtos orbitais.

A metodologia aplicada consistiu em:

simulando a órbita do SGDC,e o satélite Sat2, com dados de efemérides fornecidos pelo operador do GOES-13. Para a propagação da órbita de Sat1, foi utilizado o módulo Astrogator do STK. O Astrogator é um módulo capaz de modelar órbitas, incluindo manobras.

empregados na otimização.

provenientes da propagação de órbita do STK, foi inserida no MATLAB.

do MATLAB foi usado para otimizar a função implementada e obter os me quisitos estabelecidos.

dos os seguintes requisitos:

início e delta-V, na direção principal das manobras. executadas nos dias 12, 15, 19 e 26 de setembro de 2017, sendo as manobras dos dias 12 e 26 na direção NS e as dos dias 15 e 22 na direção EW. A Fig. 2 ilustra a agenda do SGDC indicando os dias das manobras otimizadas.

Figura 4 - Agenda de manobras otimizadas do SGDC.

bras foram 24 horas antes e 24 horas após as 00:00h UTC do dia da manobra, com exceção da manobra do dia 12 de setembro, que devia começar dentro de 24 horas após 00:00h do mesmo dia. Para delta-V das manobras, os limites na direção NS foram de -0,5 m/s e 0 m/s e na direção EW de -0,04 m/s e 0 m/s.

dos, conforme Tabela 1.

Longitude máxima -74,8º Longitude mínima -74,9º Inclinação máxima 0,05º

Excentricidade máxima 0,00035 Distância mínima entre satélites 15 km

A Tabela 2 apresenta uma comparação entre os resultados obtidos com as manobras executadas e as sugeridas com a otimização.

Número de 14 14 Delta-V Total na Direção

EW 0,6402 m/s 0,1776 m/s Delta-V Total na Direção

WE 0,1100 m/s Delta-V Total na Direção

NS 6,7543 m/s 6,9932 m/s Delta-V Total 7,5045 m/s 7,1708 m/s

Distância Mínima entre

Satélites 12,2 km 14,2 km

Inclinação Máxima 0,073º 0,082º os limites de longitude? SIM NÃO

Em relação à direção das manobras, não haveria a necessidade de se realizar a manobra WE. Embora as manobras na direção NS sejam maiores na estratégia otimizada, a quantidade de delta-V na direção EW é superior na estratégia executada. A estratégia otimizada proporciona uma redução de 5,5% no delta-V total das manobras. Manobras que exigem menor delta-V estão diretamente relacionadas a um menor consumo de oxidante e combustível propelente que se traduzem num aumento da vida útil do satélite. uma solução dentro dos valores operacionais nominais do SGDC para uma estratégia otimizada. A es peso da função otimizada forneceu uma solução que manteve o SGDC dentro dos limites de operação, exceto pelo valor da inclinação. Priorizou-se o ganho no distanciamento entre satélites aliado ao baixo delta-V em detrimento da ultrapassagem do limite estabelecido para inclinação. A inclinação acima dos limites operacionais é para valores considerados seguros pelos operadores do SGDC. Em ambas as estratégias, o limite de inclinação foi excedido, no entanto, ao contrário do executado, a estratégia otimizada não excedeu os limites de longitude.

rio da maneira como fora calculada a estratégia executada, todos os passos seguidos para determinação da estratégia otimizada foram escritos de forma a serem executados independentemente da familiaridade do operador com o tipo de manobras evasivas a serem executadas. Assim, a melhor solução para uma estratégia de evasão poderá ser encontrada até conjunções de satélites. Outro fator relevante em relação à utilização de um procedimento para otimização de manobras estratégia. O tempo total despendido com modelagem e cálculo na estratégia otimizada não ultrapassou 30 minutos, sendo muito inferior às 4 horas utilizadas para determinação da estratégia executada.

I Neste estudo, foi apresentada uma proposta de otimização com o objetivo de reduzir o consumo de combustível, mantendo o cronograma nominal do SGDC e sem ultrapassar a variação de velocidade nominal das manobras, delta-V. A otimização encontrou propostas de manobras que, após serem implementadas no software de operação, atendeu a todas as premissas sugeridas e forneceria uma economia de delta-V na ordem de 5,5% em relação às manobras realizadas em setembro de 2017. Outro ponto a ser considerado é a redução no tempo gasto para encontrar a melhor opção de afastamento entre satélites.

GMV. Apresentação realizada em 05 jun. 2018 na TELEBRAS para os Engenheiros de Voo do COPE.

NATIONAL OCEANIC AND ATMOSPHERIC ADMI

Disponível em: https:// www.nesdis.noaa.gov/content/ noaa-retires-goes-13-satellite-after-10-years-stellarservice. Acesso em: 23 nov. 2018.

MATLAB. Disponível em: https://www.mathworks.com/products/ matlab.html. Acesso em: 25 jun. 2018.

Disponível em: https://www.space-data. org/sda/about/sda-overview/. Acesso em: 25 jun. 2018.

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TELEBRAS. Disponível em: http://www. telebras.com.br/sgdc/?lang=en. Acesso em: 15 jun. 2018.

THALES ALENIA SPACE. 4 Jan. 2017.