Advancing satellite network performance: HLA-based simulation for earth observation federations in disaster response monitoring

The present work focuses on the development of a Hardware in the Loop capable simulator to model and analyze the network communication capabilities of a Federated Satellite System. A distributed simulation approach is pursued, employing the IEEE 1516.2010 High Level Architecture standard, testing multiple simulation architectures, and aiming for data efficiency considering the simulation models developed. The adjacency matrix of a 100-satellite network is obtained as the simulator output and a pool of simulation results with different relevant communication hypotheses is analyzed according to graph theory communicability metrics. The Federated Satellite System network is subsequently tested against a time-critical real-case scenario of a recent disaster rapid mapping request handled by the European Copernicus Emergency Management Service. A number of bidding strategies are compared and optimized for the Federation response time. The outcome confirms the High Level Architecture as a viable simulation standard for a Federate Satellite System simulator, quantifies a degraded network communicability with respect to the currently available literature, and proves the competitiveness of the Federated Satellite System against the current satellite-based emergency management services when adopting online bidding strategies.

Il presente lavoro si concentra sullo sviluppo di un simulatore con capacità Hardware in the Loop (HIL) per modellare ed analizzare le capacità di comunicazione e di rete di un Sistema Satellitare Federato. Si segue un approccio di simulazione distribuita, utilizzando lo standard IEEE 1516.2010 di Architettura ad Alto Livello, testando diverse architetture di simulazione e mirando all’efficienza dei dati scambiati, considerando i modelli di simulazione sviluppati. La matrice di adiacenza di una rete di 100 satelliti è ottenuta come risultato del simulatore e un insieme di simulazioni con diverse ipotesi di comunicazione rilevanti viene analizzato in base alle metriche di comunicabilità della teoria dei grafi attualmente disponibili. Successivamente, la rete del Sistema Satellitare Federato è testata in uno scenario a tempo critico di mappatura rapida di un recente disastro naturale gestito tramite il servizio europeo Copernicus per la gestione delle emergenze, confrontando diverse strategie di negoziazione inter-satellite e ricercando l’ottimizzazione del tempo di risposta della Federazione. I risultati confermano l’Architettura ad Alto Livello come standard di simulazione valido per un simulatore di un Sistema Satellitare Federato, quantificano una comunicabilità di rete degradata rispetto alla letteratura attualmente disponibile e dimostrano la competitività del Sistema Satellitare Federato rispetto agli attuali servizi satellitari di gestione delle emergenze nel caso si adottino strategie di negoziazione online.