la fase 1 (Phase 1) è legata alla strategia di sparo che si vuol eseguire.

3. Il simulatore VM-Orbit

3.1 Generalità

In questo capitolo verranno illustrate le caratteristiche del VM-Orbit: esso simula, con l’ausilio del propagatore D-Orbit, missioni di veicoli provvisti di propulsione elettrica su orbite centrate nel pianeta Terra: i risultati delle simulazioni, qualora siano attivati gli effetti perturbativi, sono legati alle caratteristiche morfologiche di tale pianeta. La sessione di lavoro si svolge principalment in 3 fasi e ben riconoscibili dal titolo della corrispondente finestra grafica:

la fase 1 (Phase 1) è legata alla strategia di sparo che si vuol eseguire.

L’utente può anche scegliere di non effettuare alcuna strategia e passare direttamente alla fase successiva;

La fase 2 (Phase 2) è legata alla propagazione orbitale (inserimento dei parametri orbitali) e alla simulazione dei sottosistemi (inserimento dei dati legati ad essi);

La fase 3 (Phase 3) gestisce un eventuale comando dato a un sottosistema a seguito di una condizione imposta.

Pulsanti, checkbox, menù a scomparsa e titoli presenti nelle varie finestre grafiche sono riportati in lingua inglese: tale scelta è dettata dall’esigenza di rendere fruibile il codice a un numero quanto più vasto di utenze.

3.2 Requisiti

Il codice attualmente disponibile si è evoluto nel tempo, quindi è stato necessario fissare fin dall’inizio alcune caratteristiche che il simulatore avrebbe conservato durante il suo sviluppo; tra esse le più importanti sono:

1. codice utilizzato è scritto in un linguaggio di programmazione noto

nell’ambito scientifico; diffuso a livello internazionale; facilmente

gestibile e modificabile.

2. possibilità di interfacciarsi e scambiare informazioni con il propagatore D-Orbit con scambio di dati diretto senza necessità di conversione di formati di files o ausilio di supporti di memorizzazione esterni: ciò permette una riduzione di tempi di calcolo.

3. possibilità di inserimento dati da parte dell’utente in modo semplice e intuitivo.

3.3 La Fase 1

La fase 1 permette di scegliere tra diverse strategie di sparo ognuna delle quali attiva o disattiva alcune scelte guidando l’utente verso scelte coerenti, e per prevenire l’inserimento di informazioni conflittuali tra loro, non portando a buon termine la simulazione.

Una strategia di sparo, nella sua modellazione più semplice, può essere identificata da alcuni parametri, alcuni già descritti nel capitolo relativo al propagatore D-Orbit:

Direzione della spinta;

Sparo su intera orbita o limitata su archi (phased thrust);

Tipo di spinta (costante o variabile);

Impulso specifico [s];

Modulo del vettore spinta [N].

Per quel che concerne la strategia di sparo, il simulatore D-Orbit permette

di impostare un comando tale da non utilizzare il propulsore durante la fase di

eclissi. Nel simulatore VM-Orbit tale possibilità di scelta non è presente nella

fase 1 ma è stata inserita in fase 3, come vedremo in seguito.

Figura 3-1: interfaccia grafica per la phase1

3.3.1 Tipo di spinta (costante o variabile)

Il D-Orbit permette di caratterizzare l’arco di sparo, definendo per esso

l’angolo di inizio sparo, l’angolo di fine sparo, direzione (se non tangenziale o

circonferenziale) del vettore spinta, modulo del vettore spinta e impulso

specifico. Tutti questi parametri, durante la propagazione per l’intera orbita o

all’interno dell’arco per cui sono definiti, rimangono costanti. L’esigenza di

effettuare prove più generiche possibili, avendo come riferimento

pubblicazioni e analisi di missioni già pubblicate, ha reso necessario

l’implementazione di una ulteriore scelta da parte dell’utente: quella di poter

scegliere se lasciare costante all’interno del singolo o di più archi di sparo

alcuni dei parametri necessari per definire la strategia di sparo:

Modulo del vettore spinta Impulso specifico

Angolo Angolo

Figura 3-2: interfaccia per inserimento grandezze variabili nel tempo

Un caso particolare previsto tra le scelte è l’applicazione dell’algoritmo del Kechichian per quanto riguarda la legge di variazione dell’angolo sull’intera orbita: selezionando tale opzione un controllo interno al VM-Orbit impedirà all’utente di selezionare come parametro variabile l’angolo . Per una descrizione più dettagliata dell’algoritmo del Kechichian si rimanda al cap.5.

3.3.1.1 Leggi di variazione

La legge di variazione più semplice implementata è quella lineare. Si

distinguono 2 casi: spinta su intera orbita o spinta su singolo arco di traiettoria:

Sparo su intera orbita: il valore minimo viene assegnato al tempo 0 di inizio simulazione e il valore finale di spinta viene assegnato al tempo corrispondente alla fine della simulazione;

Sparo su singolo arco singolo arco: il valore iniziale di spinta viene attribuito all’anomalia vera corrispondente all’inizio dell’arco di sparo, e il valore finale all’anomalia vera di fine arco.

La stessa logica è stata seguita per l’impulso specifico , angolo e angolo (Figura 3-2).

3.4 La fase 2

La fase 2 permette all’utente di inizializzare la simulazione, ovvero inserire tutti quei parametri, descritti in parte nel capitolo precedente e in parte nel seguito, che rappresentano le condizioni iniziali necessarie al simulatore per determinare gli stati successivi.

Figura 3-3: interfaccia grafica per la fase 2

In Figura 3-3 è riportata l’interfaccia grafica relativa alla fase 2, in cui si possono distinguere 3 gruppi di pulsanti, suddivisi in colonne. Il primo gruppo, indicato nella figura con l’ellisse 1, raggruppa tutti i pulsanti per l’inserimento dei parametri che saranno inviati al D-Orbit per effettuare la propagazione.

Ogni pulsante permette l’accesso alla sua relativa interfaccia grafica.

Si possono distinguere i seguenti gruppi di parametri:

Parametri orbitali;

Parametri della simulazione;

Parametri delle perturbazioni;

Parametri relativi al livello di precisione richiesto;

Parametri relativi al mantenimento dell’orbita.

Il secondo gruppo, indicato nella Figura 3-3 con l’ellisse 2, raggruppa i pulsanti per l’inserimento delle grandezza relative ai sottosistemi simulati attualmente presenti nel simulatore (una descrizione più dettagliata di questi sottosistemi è presente nel cap.4.):

Sottosistema di generazione e di immagazzinamento di energia;

Sottosistema propulsivo;

Sottosistema di gestione di potenza.

Il terzo gruppo di pulsanti permette all’utente di:

accedere alla fase 3 (passando attraverso l’interfaccia grafica attivata dal pulsante “control”);

far partire la simulazione tramite il pulsante “start simulation”;

accedere alla fase di visualizzazione dei grafici ottenuti al termine della

simulazione (fase di post-processing).

3.4.1 Inserimento parametri orbitali

Nella finestra “Orbital Parameters” è possibile inserire, oltre ai parametri orbitali, anche i valori della massa iniziale dello S/C e la data di inizio missione. La figura 3-4 illustra in forma schematica quanto appena detto.

Figura 3-4 : parametri gestiti dalla finestra "Orbital Parameters"

3.4.2 Inserimento parametri della simulazione

L’interfaccia grafica permette di attivare vari tipi di perturbazione con le rispettive grandezze che li caratterizzano. Uno schema delle scelte presenti in questa interfaccia grafica è mostrato in Figura 3-5.

3.5 La fase 3

La fase 3 permette di gestire i sottosistemi, e quindi di impostare delle

regole/leggi che permettano al simulatore di accendere o spegnere o regolare il

livello di funzionamento del sottosistema in considerazione. Due simulazioni

possono quindi differire completamente (differenti dati inserite in fase 1 o fase

2) o anche per la sola fase 3: quindi il simulatore si presenta come un utile

strumento per confrontare missioni simili. Attualmente la fase 3 permette due

modalità di gestione dell’energia:

1. la prima consiste nel gestire il funzionamento del propulsore in relazione al fatto che il veicolo sia in vista o in eclissi. Lo stato del propulsore acceso/spento in funzione dello stato di eclissi era già disponibile nel propagatore D-Orbit con ovvia conseguenza di ottenere nei due casi acceso/spento due traiettorie differenti; nel VM-Orbit lo stesso comando assume una connotazione diversa in quanto dallo stato di eclissi è possibile discernere l’energia disponibile a bordo e quindi gestire lo stato del propulsore in base ad altre esigenze;

2. La seconda modalità di gestione dell’energia permette di regolare la potenza richiesta a bordo in base al tempo trascorso dall’inizio della missione o in base alla posizione del satellite lungo la sua traiettoria.

L’applicazione di questo comando è riportata nella prova 2 del cap.5.

Figura 3-5 : parametri gestiti dalla finestra "Simulation Parameters"

Figura 3-6: gestione del propulsione in base alla strategia e all’eclissi

La Figura 3-6 mostra le possibili combinazioni di eventi che determinano lo stato acceso/spento del propulsore.

3.6 Sessione “control”

Alla fase 3 si accede tramite il pulsante “control”: nella successiva

interfaccia grafica è possibile definire l’intera durata della simulazione

[s] ; e il passo temporale [s] con cui il propagatore orbitale

D-Orbit viene chiamato: l’intervallo di chiamata influisce fortemente sulla

precisione della simulazione e bisogna tenerne conto in fase di lettura dei

grafici. Se nella fase 1 non viene definita alcuna strategia di sparo, e quindi non

c’è bisogno di alcun controllo sull’attività del propulsore, il D-Orbit può essere

caricato una sola volta: l’ intervallo di chiamata coincide con l’intero periodo

da simulare ( = ); l’utente dovrà semplicemente commutare la casella “control ON” in “control OFF” ed impostare la data finale della simulazione/missione.

Figura 3-7: interfaccia grafica per accedere alla phase 3

La Figura 3-7 mostra l’interfaccia grafica per accedere alla fase 3.

L’impostazione di default prevede il pulsante “to PHASE 3” disattivato. Il

diagramma a blocchi seguente (Figura 3-8) mostra il collegamento logico tra la

fase 1 e la fase 3 in relazione alla scelta della strategia di sparo; mentre la

Figura 3-9 riassume le funzioni delle 3 fasi sopra descritte.

Figura 3-8: relazione tra Phase 1 e Phase 3 e tipo di chiamata al D-Orbit

3.7 Pulsante “Start simulation”

Completate le 3 fasi, è possibile avviare la simulazione. L’intera durata

della simulazione viene suddivisa in intervalli di tempo fissati dal valore di

: ogni intervallo di tempo viene propagato dal D-Orbit i cui vettori in

uscita consentono di stabilire lo stato di sottosistemi simulati e allo stesso

tempo permettono, di creare nuove condizioni iniziali per il successivo

intervallo di propagazione. Il processo ha termine quando la data di fine

propagazione del generico intervallo non appartiene al periodo da simulare: il

simulatore non genera il vettore delle condizioni iniziali per la propagazione

successiva ma vengono preparati i vettori in uscita per la visualizzazione di

grafici e dati per la sessione “Postprocessing”.

Figura 3-9: le 3 fasi e loro principali funzioni

Figura 3-10: funzioni svolte tra passi di simulazione successivi

3.8 Sessione “Postprocessing”

La Figura 2-3 , in questa fase di sviluppo, può essere così modificata per descrivere meglio il flusso di informazioni tra utente e simulatore e tra simulatore e propagatore, Figura 3-11.

Figura 3-11 : flusso di informazioni utente-simulatore-propagatore

Terminata la simulazione, il VM-Orbit attiva il pulsante “Postprocessing”

che permette all’utente di accedere alla sessione relativa (Figura 3-12): sono visibili 5 pannelli:

“Data Matrix”;

“Graphs”;

“Orbital Elements”;

“Variable Thrusting Mode”;

“Other parameters”.

Figura 3-12: interfaccia grafica della sessione "Postprocessing"

3.8.1 “Data Matrix”

Il pannello “Data Matrix” permette di salvare alcuni dati relativi alla simulazione in un foglio di lavoro in ambiente Microsoft Excel: è possibile selezionare quali parametri inserire nel foglio di lavoro per focalizzare l’attenzione su uno o più parametri e studiare il loro comportamento combinato. I parametri disponibili sono:

“Time”: viene riportato il tempo trascorso dall’inizio della simulazione;

“Eclipse”: assume valore 0 se il veicolo è in vista; 2 se in eclissi;

“Thruster on/off”: assume valore 0 se il propulsore è spento; 1 se il propulsore è acceso;

“True Anomaly”: viene mostrata l’anomalia vera [°];

“Power available”: viene mostrata la potenza [W] disponibile, generata

dai pannelli solari, in quell’istante;

“Power used”: viene mostrata la potenza [W] complessiva richiesta dai sottosistemi e payload.

3.8.2 “Graphs”

Il pannello “graphs” contiene pulsanti che permettono di visualizzare grafici (in funzione del tempo) di alcuni parametri di interesse. Inoltre il pulsante “Satellite Orbit” mostra le posizioni del veicolo spaziale sulla sua traiettoria al variare del tempo e la sua posizione relativa rispetto alla Terra e Sole.

I grafici attualmente disponibili sono:

“Eclipse vs Time”: viene visualizzato il tempo trascorso in eclissi;

“SA Power vs Time”: viene visualizzata la potenza disponibile dai pannelli solari in funzione del tempo. Tale grafico mostra anche il livello di potenza richiesto dal veicolo;

“Battery Energy vs Time”: viene visualizzato il livello di energia elettrica disponibile nelle batterie in funzione del tempo;

“Propellant mass vs Time”: mostra la quantità di propellente consumata in funzione del tempo. E’ presente anche una linea che rappresenta il contenuto di propellente imbarcato, quindi la massima quantità disponibile;

“State of Charge”: mostra lo stato di carica della batteria;

“C and D current”: mostra la corrente di carica e scarica della batteria;

“Thruster on/off vs True Anomaly” visualizza un grafico che comprende più informazioni: sull’asse delle ordinate sono riportati i valori dell’anomalia vera, sull’asse delle ascisse il tempo e lo stato on/off è visualizzato tramite il colore verde/rosso rispettivamente.

Inoltre è possibile distinguere se il satellite in quel punto è in vista o in

eclisse: “*” indica lo stato di eclisse e “°” lo stato di vista.

Figura 3-13: grafico propulsore on/off in funzione dell'anomalia vera e del tempo

Nell’esempio di Figura 3-13 la strategia prevedeva sparo su singolo arco di traiettoria con scelta di spegnere il propulsore durante il periodo di eclissi. Si possono notare i simboli “*” che indicano la presenza di eclissi e quindi propulsore spento (colore rosso), indipendentemente dal fatto che il velivolo si trovi all’interno o all’esterno dell’arco di sparo, in accordo con lo schema in Figura 3-6.

“Theta Angle vs Time”: questo grafico mostra l’andamento dell’angolo

tra la normale ai pannelli solari e la direzione della radiazione

solare incidente su essi: l’angolo dipende dalla disposizione dei

pannelli solari rispetto all’orientamento del satellite e da tale parametro

dipende l’energia elettrica prodotta dai pannelli solari. Si rimanda al

cap.4 per una descrizione più dettagliata

3.8.3 “Orbital Elements”

Il pannello “Orbital Elements” permettono di visualizzare i grafici dell’andamento dei parametri orbitali classici in funzione del tempo.

3.8.4 “Variable Thrusting Mode”

Il pannello “Variable Thrusting Mode” è visibile solo se in fase di strategia di sparo viene impostata una strategia con spinta variabile. I pulsanti presenti in questo pannello infatti permettono di visualizzare la legge di variazione, sull’intera orbita o su un singolo arco, di:

spinta (pulsante “Thrust vs Time”);

impulso specifico (pulsante “Isp vs Time”);

angolo (pulsante “Phi vs Time”);

angolo (pulsante “Psi vs Time”);

3.8.5 “Other Parameters”

“Other Parameters” è un pannello dedicato ad altri parametri generici.

Attualmente è prevista la visualizzazione della velocità orbitale in funzione del

tempo.