Enhancing smallsats lifecycle management by model-based systems engineering and decision-making techniques merging

Traditional Systems Engineering approaches highlight some bottlenecks whenever dealing with information exchange among stakeholders, typically producing a large number of documents, difficult to trace and to keep harmonized. This is particularly true for space projects, which entail very complex systems conceivement, design, integration and operation by a number of different players who grow with mission complexity. Model-Based System Engineering (MBSE) is intended to facilitate these activities, providing a common source of truth to the system engineering ecosystem, improving its efficiency and quality by developing a model that evolves along the entire product lifecycle. This thesis applies an MBSE methodology to the Phase A of the European Space Agency e.Inspector CubeSat mission for all Systems Engineering practices: from the high-level mission objectives definition, through an articulated internal system functional analysis, down to physical architecture and interface engineering, up to mission phases and system modes modeling and concept of operations. Every step is harmonized with requirements definition within the model and their traceability. The approach also proposes the AIV/AIT plan modeling, to be exploited during the operative system development activities. The study is conducted according to the ARCADIA method and adopting the Capella tool, being very effective in mastering different engineering levels with coherence and with an iterative information refinement. MBSE lacks intelligent support that could strongly help in addressing the most suitable system architecture in line with the high-level mission requirements, speeding up the alternatives selection process. This would be particularly useful during the preliminary design phases, in which the almost infinite design choices are skimmed by the only systems engineers knowledge, who may miss some solutions. A newly approach conceived to make up for this lack is also presented in this thesis, in the form of a decision-making tool prototype, which implements a tailored algorithm that correlates a set of functionalities with a set of available technologies, proposing one or more architectures that are coherent with what the engineers expect from the system behaviour. Such tool is interfaced with the previous MBSE environment, providing as output the modeled elements of the proposed architecture too and a first grid requirements.

Gli approcci tradizionali di ingegneria dei sistemi evidenziano delle difficoltà nello scambio di informazioni tra le parti interessate, con una tipica produzione di una grande quantità di documenti difficili da tracciare e tenere armonizzati. Ciò si verifica in particolare nei progetti spaziali, in cui sistemi molto complessi vengono concepiti, progettati, integrati ed operati da un numero di figure coinvolte che aumentano con la complessità della missione. Per facilitare queste attività si può fare riferimento agli approcci Model-Based Systems Engineering (MBSE), che aumentano l'efficienza e la qualità dello scambio di informazioni, all'interno dell'ecosistema di ingegneria dei sistemi, sviluppando un modello che si evolve lungo l'intero corso di vita del sistema da realizzare. Questa tesi applica una metodologia MBSE alla Fase A della missione CubeSat e.Inspector dell'Agenzia Spaziale Europea, per tutte le pratiche di ingegneria dei sistemi: dalla definizione degli obiettivi principali di missione, passando attraverso una articolata analisi funzionale interna di sistema, fino alla architettura fisica ed alla ingegneria delle interfacce, concludendo con la modellazione delle fasi di missione, i modi di sistema e la sequenza di operazioni del satellite. Ogni passo è armonizzato tramite la definizione, all'interno del modello, dei requisiti e dalla loro tracciabilità. L'approccio propone anche la modellazione del piano di AIV/AIT, da utilizzare durante le attività operative di sviluppo del sistema. Lo studio è condotto utilizzando il metodo ARCADIA ed il software Capella, che risulta essere molto efficace nel padroneggiare i diversi livelli di ingegneria in modo coerente e con un raffinamento iterativo delle informazioni. MBSE manca di un supporto decisionale intelligente che potrebbe aiutare fortemente nell'identificare l'architettura di sistema che più si addice ai requisiti principali di missione, con una conseguente accelerazione nel processo di selezione delle alternative. Ciò sarebbe particolarmente utile durante le fasi preliminari di progettazione, in cui le scelte progettuali pressoché infinite vengono scremate dalle sole conoscenze dei sistemisti, ai quali possono sfuggire alcune soluzioni. In questa tesi viene anche presentato un nuovo approccio concepito per sopperire a questa mancanza, proponendo un prototipo di strumento decisionale che implementa un algoritmo su misura per la correlazione di un insieme di funzionalità con un insieme di tecnologie disponibili, proponendo una o più architetture coerenti con ciò che gli ingegneri si aspettano dal sistema. Tale strumento si interfaccia con il precedente ambiente MBSE, fornendo in output anche gli elementi modellati dell'architettura proposta ed una prima griglia di requisiti.