E/I-vector separation for safe switching of the GRACE formation

After more than three years in orbit, a longitude swap maneuver was required to exchange the leading and trailing spacecraft of the GRACE formation. While the two satellites are nominally separated by about 220 km in along-track direction, a close encounter took place during the swap sequence. Based on the successful use for co-location of geo-stationary satellites, the concept of eccentricity/inclination vector separation has been suggested for safe proximity operations in this mission phase. Taking care of the natural evolution of the relative orbital elements of GRACE 1 and 2, optimum maneuver dates were identified. By proper timing of the maneuvers a safe limit for the minimum distance during the encounter could be guaranteed even in case of arbitrary thruster performance errors. This allowed the use of a fuel optimal maneuver sequence with individual drift start and stop maneuvers. The paper provides a conceptual outline and mathematical description of the e/i-vector separation for spacecraft formations in low Earth orbit and discusses the GRACE longitude swap maneuvers.

ZusammenfassungNach einer Missionszeit von mehr als drei Jahren erforderte die GRACE Formation einen Austausch der Position beider Satelliten entlang der Flugrichtung. Bei diesem Wechsel kam es zu einer nahen Begegnung der zwei Satelliten, die ansonsten in einem Abstand von rund 220 km hintereinander her fliegen. Angesicht der erfolgreichen Nutzung für geostationäre Satelliten wurde das Konzept der kombinierten Exzentrizitäts- und Inklinationsvektortrennung für eine sichere Durchführung des nahen Vorbeiflugs vorgeschlagen. Unter Berücksichtigung der natürlichen Entwicklung der Bahnelemente von GRACE 1 und 2 wurden die optimalen Zeitpunkte für die Durchführung der Manöver identifiziert. Hierdurch konnte sichergestellt werden, dass der Abstand der Satelliten auch im Falle von Ausführungsfehlern keinesfalls eine kritische Grenze unterschreiten konnte. Dies erlaubte die Wahl einer treibstoffeffiziente Manöverfolge mit einfachen Driftstart- und Stoppmanövern. Der Artikel skizziert das Konzept und die mathematischen Grundlagen der e/i-Vektortrennung für Satellitenformationen in niedrigen Umlaufbahnen und beschreibt die Durchführung der Manöver zum Wechsel der GRACE Formation.