Hardware-in-the-loop simulation of nano-satellite constellations

Nano-satellites are a milestone in space operation; they provide technologically advanced components, while simultaneously being a compact and cost-effective alternative to traditional satellites. To be more effective, a space mission usually deploys multiple nano-satellites, forming a constellation, which is generally used for different purposes, from Earth monitoring to providing worldwide internet access. Every space mission needs a proper testing phase, to increase its likelihood of success and decrease the costs related to planning and implementation: this is where space simulators come into play. However, mainstream space simulators cannot test the behavior of nano-satellites in a specific space mission because they do not use the energy consumption data of real nano-satellites, therefore, they cannot simulate all the complexities of a space mission, and the devices involved. Furthermore, the inability of mainstream space simulators to simulate the user-desired specific mission scenario limits the realism of the simulation, hindering a comprehensive understanding of how the nano-satellites would perform in real-world conditions. Therefore, we implement an orbital simulation of a constellation of nano-satellites, which communicates in real-time with a physical nano-satellite. The literature refers to this type of simulation as Hardware-In-the-Loop (HIL) simulation. From the real device, the simulation retrieves the nano-satellite energy consumption, with which it simulates the behavior of the nano-satellites in the simulated constellation while executing the user-desired space mission. Since space radiation impacts the nano-satellites functioning, to enhance realism, our system simulates radiation-induced errors. Furthermore, the scalability we provide enables our system to interact with multiple physical nano-satellites simultaneously by exploiting parallelization in the simulation. The whole system is configurable by the user, to the extent of replacing the physical nano-satellite in a few steps. Our HIL simulation proved capable of managing and integrating real data, retrieved from a physical nano-satellite, in real-time. As for the scalability our system offers, we empirically verified that it leads to an 88% reduction in the total execution time of the simulation and the simultaneous management of ~700 physical nano-satellites.

I nano-satelliti sono una pietra miliare nel settore spaziale; essi sono dispositivi tecnologicamente avanzati e rappresentano un'alternativa compatta ed economica ad i satelliti tradizionali. Per avere una maggiore resa, una missione spaziale dispiega più nano-satelliti, formando così una costellazione, la quale può essere utilizzata per diversi scopi, dal monitoraggio della Terra alla fornitura di accesso a Internet in tutto il mondo. Ogni missione spaziale ha bisogno di un'adeguata fase di test, per aumentare le probabilità di successo e diminuire i costi per la pianificazione e la realizzazione: è qui che entrano in gioco i simulatori spaziali. Tuttavia, i principali simulatori spaziali non possono testare il comportamento dei nano-satelliti in una specifica missione spaziale non utilizzando dati sul consumo energetico presi da nano-satelliti reali, quindi non possono simulare le complessità di una missione spaziale e dei dispositivi coinvolti. Inoltre, l'incapacità dei simulatori spaziali di simulare lo scenario desiderato dall'utente limita il realismo della simulazione, impedendo una comprensione completa di come i nano-satelliti si comporterebbero in condizioni reali. Perciò, abbiamo implementato una simulazione orbitale di una costellazione di nano-satelliti, che comunica in tempo reale con un nano-satellite fisico. La letteratura si riferisce a questo tipo di simulazione come simulazione Hardware-In-the-Loop (HIL). Dal dispositivo reale, la simulazione recupera il consumo energetico del nano-satellite, simulando il suo comportamento nella costellazione simulata durante l'esecuzione della missione spaziale specificata. Poiché le radiazioni influenzano il funzionamento dei nano-satelliti, il nostro sistema simula gli errori indotti dalle radiazioni, per aumentare il realismo. Inoltre, la scalabilità offerta consente al nostro sistema di interagire con più nano-satelliti fisici simultaneamente, sfruttando la parallelizzazione nella simulazione. Il sistema è configurabile dall'utente, fino a poter sostituire in pochi passaggi il nano-satellite fisico. Il nostro sistema si è dimostrato in grado di gestire ed integrare dati reali, recuperati da un vero nano-satellite, in real time. Per quanto riguarda la scalabilità che il nostro sistema offre, abbiamo verificato che essa riduce dell'88% tempo totale di esecuzione della simulazione e permette di gestire ~700 nano-satelliti fisici in contemporanea.