Design, optimization and comparison of failure detection and isolation methods for cubesats

CubeSats are small and low-cost satellites that have been gaining increasing popularity in recent years due to their compact size and relative affordability. However, the limited resources and budget of CubeSat missions pose significant challenges in terms of reliability and autonomy. In particular, Failure Detection and Isolation (FDI) is a critical aspect of CubeSat mission design, yet there is currently a lack of standards and established techniques tailored to CubeSats. Moreover, as space exploration trends towards autonomous systems, there is a growing need for more advanced fault detection and isolation models for CubeSats. This study addresses these challenges by classifying the currently employed, state-of-the-art, and emerging FDI techniques into three categories and evaluating their effectiveness for fault detection and isolation in CubeSat gyroscopes. From these categories, three methods are selected, designed, optimized on the case study and evaluated based on their performance, complexity, computational effort, and scalability, and are compared against each other. The context for this study is the LUMIO mission. The results of this research provide insights into the most effective techniques for fault detection and isolation in CubeSat gyroscopes and contribute to the expanding body of research in this field, ultimately aiding in the development of more reliable and robust CubeSat systems for space exploration.

I CubeSats sono piccoli satelliti che stanno guadagnando sempre più popolarità negli ultimi anni grazie alla loro compattezza e alla relativa convenienza economica. Tuttavia, le limitate risorse e il budget a disposizione delle missioni CubeSat costituiscono significativi ostacoli per quanto riguarda l'affidabilità e l'autonomia. In particolare, la rilevazione e l'isolamento dei guasti (FDI) rappresenta un aspetto cruciale della progettazione delle missioni CubeSat, tuttavia al momento mancano standard e tecniche consolidate appositamente concepite per tali satelliti. Inoltre, considerando la tendenza dell'esplorazione spaziale verso sistemi sempre più autonomi, si registra un crescente bisogno di modelli di rilevazione e isolamento dei guasti sempre più avanzati, specifici per i CubeSats. Il presente studio affronta queste sfide classificando le attuali tecniche di FDI, le tecnologie all'avanguardia e quelle emergenti in tre categorie, e valutandone l'efficacia per quanto riguarda la rilevazione e l'isolamento dei guasti sui giroscopi CubeSat. Tra le varie categorie, vengono selezionati tre metodi, i quali sono costruiti, ottimizzati sul caso studio ed esaminati in termini di prestazioni, complessità, sforzo computazionale e scalabilità, per poi essere confrontati tra di loro. Il contesto di riferimento di questa ricerca è la missione LUMIO. I risultati ottenuti permettono di comprendere meglio quali tecniche si dimostrino maggiormente efficaci per la rilevazione e l'isolamento dei guasti sui giroscopi CubeSat, contribuendo così alla crescente mole di ricerca in questo campo e, in ultima analisi, favorendo lo sviluppo di sistemi CubeSat sempre più affidabili e robusti per l'esplorazione spaziale.