A global navigation satellite system constellation tool for failure modes impact on earth coverage

The requirement of Earth coverage is crucial for the design of satellite constellations, in particular for navigational space missions such as GPS (Global Positioning System), Galileo, and GLONASS. In this thesis, the architecture of a tool aimed at the determination of the coverage of a GNSS (Global Navigation Satellite System) is presented. The tool provides a user-friendly interface so that the space system engineer can define the constellation geometry and the failure scenario, which are processed in order to elaborate the actual Earth coverage. The underlying principle is to model the space segment dynamics (i.e., orbit and attitude perturbations), its failure management system, and the signal path through the atmosphere to determine the effects on the GNSS services on ground. Among the several options, the tool can handle both a spherical and a novel, and more precise ellipsoidal model of Earth and it can determine the coverage by giving as input either the minimum elevation angle of a point on Earth or by inserting the aperture angle assuming the navigation signal as a conical field of view. Failure modes are also modelled and analysed, from the Galileo Failure Detection Identification and Recovery (FDIR) documents. Their effects can range from a signal degradation, to signal deviation up to the complete cessation. Moreover, if a transient failure is considered, the tool can estimate the recovery time of the satellite and, then, the GNSS recovery time on ground. Finally, by considering the minimum number of satellites in view for each point on Earth, according to the coverage requirements and signal availability, it is possible to identify the regions on the globe that are below and above the minimum number requested. The results are shown by introducing an index representing the percentage of the global coverage and by listing on a planisphere all the critical points that do not fulfill the condition about the minimum number of satellites in view so that there is an immediate understanding about where the critical points are located. It is possible also to verify if an input location given by the user is always covered or not by the constellation according to the type of failure that can occur. This tool can support the feasibility study of new satellite constellations, including the ones designed for scientific applications but also support the monitoring of the existing one, in presence of failure modes. This fits the modern trend of building more than one spacecraft with different functions instead of one monolithic spacecraft with all the instruments on-board.

Il requisito di copertura della Terra è determinante per la progettazione di una costellazione di satelliti, in particolare per le missioni spaziali dedicate alla navigazione come GPS (Sistema di Positionamento Globale), Galileo e GLONASS. In questa tesi viene presentata l'architettura di un tool mirato alla determinazione della copertura di una GNSS (Sistema di Satelliti per la Navigazione Globale). Il tool offre un'interfaccia di facile utilizzo in modo tale che l'ingegnere di sistema possa definire sia la geometria della costellazione che il tipo di guasto, che vengono elaborati per restituire l'effettiva copertura della Terra. Il principio sottostante è quello di modellare la dinamica del segmento spaziale (ossia le perturbazioni orbitali e di assetto), il sistema di gestione dei guasti e la propagazione del segnale attraverso l'atmosfera per determinare gli effetti sui servizi della GNSS. Tra le molteplici opzioni, il tool può gestire sia un modello di Terra sferico che un modello ellissoidale del tutto nuovo e più preciso, e può calcolare la copertura inserendo come input o l'angolo di elevazione minima per la visibilità di un punto o l'angolo di semi-apertura assumendo che il segnale di navigazione abbia un campo di vista conico. I tipi di guasto sono modellati e analizzati dai documenti ufficiali della costellazione Galileo riguardo il rilevamento, l'identificazione e il recupero del guasto (FDIR). Gli effetti possono oscillare dalla degradazione del segnale, a una sua deviazione fino alla completa interruzione del segnale stesso. Inoltre, nel caso di un guasto temporaneo, il tool può stimare il tempo di recupero del satellite e, quindi, il tempo di recupero della GNSS a terra. Infine, considerando il numero minimo di satelliti in vista per ogni punto sulla superficie della Terra, secondo i requisiti di copertura e la disponibilità del segnale, è possibile identificare le regioni sul globo che sono in vista di un numero superiore o minore di satelliti. I risultati vengono mostrati introducendo un indice che rappresenta la percentuale della copertura globale ed elencando su un planisfero tutti i punti critici che non soddisfano la condizione riguardo il minimo numero di satelliti in vista in modo tale da avere una rapida associazione tra i punti critici e la loro posizione sul globo. È possibile anche eseguire una verifica locale dove l'utente inserisce le coordinate del punto da esaminare per vedere se è effettivamente sempre in vista della costellazione in base al tipo di guasto che può accadere. Questo tool può aiutare lo studio di fattibilità di nuove costellazioni di satelliti, comprese quelle relative ad applicazioni scientifiche ma anche supportare il monitoraggio di una già esistente, in presenza di guasti. Tale possibilità combacia perfettamente con l'attuale tendenza di costruire più di un satellite con differenti funzionalità piuttosto che un singolo e monolitico satellite con tutte le strumentazioni a bordo.