Design and development of the ground segment for the HENON Mission: advancing space weather monitoring through CubeSats

In the past decades, an ever-growing interest in space-borne applications has been regis tered, and the scientific requests and needs became more ambitious with on-board instruments becoming more complex and expensive. In particular, satellites for Space Weather are characterised by high costs and large masses and volumes, and the trend would not seem to decrease in the short term. For this reason, small satellites, and in particular CubeSats, are catching on as an affordable alternative to fulfil all the science and technological needs. This Master’s thesis presents the results of Phase A of the HEliospheric pioNeer for sOlar and interplanetary threats defeNce (HENON) CubeSat mission, which springs from the European initiative to improve our understanding of Space Weather, focusing on the detection of solar energetic events and on the sending of near real-time alerts to the ground. The study adopts a rigorous approach to the design and development of the Ground Segment and Operations, using a concurrent design method to refine and consolidate requirements iteratively throughout the whole process. Starting with the functional analysis of the system, the study defines and consolidates the requirements, subsequently outlines the satellite operational modes, and derives a Concept of Operations (ConOps) that takes into consideration all aspects that could impact each mission phase. The study also provides a high-level analysis of the data budget and presents a preliminary Ground Segment architecture for the HENON mission, together with some further considerations that could be used as guidance in the following design phases. The preliminary Ground Segment architecture describes its assets and interfaces, with a particular focus on their inner workings, to outline a scheme that could be used as a guide for future designs. Overall, this thesis demonstrates the feasibility of CubeSats as a cost-effective alternative to high-end satellite missions, providing a detailed account of the design and development of HENON Ground Segment, from mission Kick-off (KO) to the successful completion of the Preliminary Requirements Review (PRR) by the ESA CubeSat Systems Unit.

Negli ultimi decenni si è registrato un interesse sempre crescente per le applicazioni spaziali, con richieste ed esigenze scientifiche sempre più ambiziose e strumenti di bordo sempre più complessi e costosi. In particolare, i satelliti per la meteorologia spaziale sono caratterizzati da costi elevati e da grandi masse e volumi, e la tendenza non sembra desti nata a diminuire nel breve termine. Per questo motivo, i piccoli satelliti, e in particolare i CubeSat, si stanno affermando come alternativa economica per soddisfare tutte le esigenze scientifiche e tecnologiche. La seguente Tesi presenta i risultati della Fase A del progetto HEliospheric pioNeer for sOlar and interplanetary threats defeNce (HENON), missione CubeSat che nasce dall’iniziativa europea per migliorare la comprensione del meteo spaziale, concentrandosi sul rilevamento di eventi energetici provenienti dal Sole e sull’invio di allarmi in tempo quasi reale a terra. Lo studio adotta un approccio rigoroso alla progettazione e allo sviluppo del segmento di terra e delle operazioni, utilizzando un metodo di progettazione concorrente per affinare e consolidare i requisiti in modo iterativo durante l’intero processo. Partendo dall’analisi funzionale del sistema, lo studio definisce e consolida i requisiti e successivamente delinea le modalità operative del satellite, ricavando un Concetto Operativo (ConOps) che prende in considerazione tutti gli aspetti che potrebbero avere un impatto su ogni fase della missione. Lo studio fornisce anche un’analisi di alto livello del budget dei dati e presenta un’architettura preliminare del segmento di terra per la missione HENON, insieme ad ulteriori considerazioni che potrebbero essere utilizzate come guida nelle fasi di progettazione successive. L’architettura preliminare del Segmento di Terra descrive gli asset e le interfacce, con particolare attenzione al loro funzionamento, per delineare uno schema che possa essere utilizzato come guida per progetti futuri. Nel complesso, questa tesi dimostra la fattibilità dei CubeSat come alternativa economica alle missioni di alto livello, fornendo un resoconto dettagliato della progettazione e dello sviluppo del Segmento di Terra di HENON, dal Kick-off (KO) al completamento della Preliminary Requirements Review (PRR) da parte della CubeSat Systems Unit di ESA.