Maintien de l'altitude

La station spatiale est placée sur une orbite basse légèrement elliptique avec une inclinaison de 51.6° qu'elle parcourt en environ une heure et demie. L'altitude, comprise théoriquement entre 370 km et 460 km, au milieu de la thermosphère (en pratique entre 330 et 410 km de 1998 à 2009), est un compromis entre deux contraintes :

• À une altitude plus basse l'atmosphère plus dense freine de manière importante la station ; une quantité de carburant supplémentaire doit être dépensée pour élever l'orbite de la station afin d'éviter que celle-ci n'entre dans les couches plus denses de l'atmosphère, ce qui entraînerait sa destruction. À l'altitude retenue, l'altitude de la station diminue de 50 à 100 mètres par jour du fait de la traînée générée par l'atmosphère ténue qui subsiste au niveau de l'orbite. La vitesse d'abaissement de l'orbite dépend en partie de l'orientation des panneaux solaires qui par leur surface peuvent jouer un rôle majeur dans le freinage aérodynamique.
• Une altitude plus importante implique que les vaisseaux chargés du ravitaillement et de la relève des équipages dépensent du carburant supplémentaire pour rejoindre la station puis, par la suite, effectuer leur rentrée dans l'atmosphère.

Le relèvement de l'altitude peut être réalisé à l'aide des moteurs du module russe Zvezda mais ce sont les différents vaisseaux qui accostent la station, qui effectuent l'essentiel de ce travail : le vaisseau Soyouz et la navette spatiale ont une capacité limitée dans ce domaine contrairement aux cargos Progress, HTV et surtout ATV qui disposent de réserves de carburant importantes pour cette tâche (4,7 tonnes de carburant pour l'ATV). Jusqu'à présent les corrections d'orbite ont été essentiellement effectuées par le cargo Progress. Ces manœuvres consomment environ 7 tonnes de carburant par an. Les trois cargos comportent des réservoirs et des canalisations qui permettent également de refaire le plein des réservoirs de carburant de la station. Il est prévu que soit installé sur la poutre de la station dans les années qui viennent un prototype de moteur Vasimr qui prendra en charge une partie du travail effectué par les cargos tout en consommant beaucoup moins de carburant.

Maintien de l'orientation

L'orientation de la station spatiale est choisie en fonction de différents critères liés à la production d'énergie, aux besoins de manœuvres des vaisseaux et aux risques de collision avec des débris.

L'ATV dispose d'une importante capacité à relever l'altitude de la station

Elle doit être régulièrement corrigée car elle est modifiée notamment par le freinage atmosphérique, les irrégularités du champ de gravité terrestre, les déplacements à l'intérieur de la station et la poussée des vaisseaux qui s'amarrent. Les corrections, lorsqu'elles sont faibles, sont généralement prises en charge par quatre actionneurs

 gyroscopiques à deux degrés de liberté qui fournissent ensemble 4 760 Nms et qui sont installés dans le segment S0 de la poutre, non loin du centre de gravité de la station. Lorsque la force exercée par les gyroscopes n'est pas suffisante, par exemple lorsque ceux-ci sont saturés ou que l'orientation des panneaux solaires crée une traînée importante, les corrections sont réalisées à l'aide des moteurs du module de service Zarya.

Le plan de l'orbite de la station a une incidence sur le contrôle thermique de la station et la production d'énergie. Le plan de l'orbite est défini par l'angle que fait celui-ci avec la droite joignant le Soleil à la Terre, dit angle bêta (β). Si cet angle est de 90°, la station est constamment exposée au Soleil et ses panneaux solaires peuvent fonctionner en permanence. En diminuant l'angle bêta, la station séjourne, durant une fraction de plus en plus longue de son orbite, à l'ombre de la Terre. La contrepartie d'une période d'ensoleillement longue est un échauffement plus important des modules pressurisés. Jusqu'à ce que tous les panneaux solaires soient installés, un angle bêta important a été retenu, pour permettre la production de suffisamment d'électricité. Lorsque l'angle est supérieur à 60° la navette spatiale ne peut accoster, car son contrôle thermique n'a pas la capacité de faire face au flux thermique généré.

L'orientation de la station peut être également modifiée pour maximiser l'énergie électrique produite. La station est conçue pour avancer selon l'axe défini par l'alignement des principaux modules pressurisés (axe X), les laboratoires constituant l'« avant » et les modules russes l'arrière. La poutre (axe Y), perpendiculaire à cet axe, est maintenue parallèle au sol. Mais lorsque l'angle bêta est grand, cette orientation change et l'incidence des photons sur les panneaux solaires n'est pas optimale (les rayons solaires ne frappent pas à la verticale les panneaux). Aussi, jusqu'à récemment, l'axe x est généralement basculé de 90°, pointant perpendiculairement au plan d'orbite dans une configuration dite XPOP (X-axis Perpendicular to the Orbital Plane). Cette orientation peut être maintenue pratiquement sans correction des moteurs d'orientation. Dans la configuration YVV, l'axe Y se confond avec l'axe de progression, ce qui permet de produire encore plus d'énergie, mais requiert beaucoup de carburant pour maintenir l'orientation. Cette configuration n'est utilisée que quelques jours par an.