Motion of an artificial satellite around an asymmetric, rotating celestial body: applications to the solar system

Abstract

In this dissertation we study the motion of artificial satellites around asymmetric andinhomogeneous bodies of our solar system, focusing on satellite orbits around the Moon, theasteroid Vesta and the Jupiter's moon Europa. Our purpose is to analyze the perturbations on asatellite orbit originated in the asymmetries of the gravitational field of the central body. Weexamine the role of rotation of the main body and also the third body effect (for instance theeffect of the Earth for lunar orbiters) on satellite motion. We construct gravity models ofdifferent complexity, starting with the relatively simple ones and we gradually develop highdegree and order models. Based on them, we are able to predict the time evolution of thesatellite orbits and to locate the initial conditions of orbits that keep constant or almostconstant some of their characteristics, such as their eccentricity or argument of pericenter. That kind of orbits could be of practical interest as they require minimum passive control. For theglobal analysis of the phase space and the location of the periodic orbits of the system wepropose the use of an efficient Frequency Analysis method that provides fast and accurateresults even for high complexity gravitational models.

Η παρούσα διατριβή αφορά στη μελέτη της κίνησης τεχνητού δορυφόρου γύρω από μησυμμετρικό, περιστρεφόμενο ουράνιο σώμα, με έμφαση στη Σελήνη, το δορυφόρο του Δία,Ευρώπη και τον αστεροειδή Εστία. Σκοπός μας είναι η ανάλυση των διαταραχών της τροχιάςενός τεχνητού δορυφόρου, που προκαλούνται από την ασυμμετρία του βαρυτικού πεδίου τουκεντρικού σώματος σε συνδυασμό με την περιστροφή του και πιθανώς την επίδραση τρίτουσώματος (π.χ. της Γης, για δορυφόρους της Σελήνης). Με τη χρήση αναλυτικών καιαριθμητικών μεθόδων, «χαρτογραφούμε» το χώρο των φάσεων, υπολογίζοντας τις μεταβολέςκάθε τύπου τροχιάς, για χρονικά διαστήματα αντίστοιχα με την τυπική διάρκεια μιαςαποστολής επισκόπησης (μερικά έτη). Τα αποτελέσματά μας μπορούν να χρησιμοποιηθούν(α) για τον αποδοτικό σχεδιασμό δορυφορικών τροχιών επισκόπησης και (β) για τονακριβέστερο υπολογισμό των φυσικών χαρακτηριστικών της Σελήνης και άλλων σωμάτων.