Satellite on-board software development process using model-based design

Space missions requirements demand increasing autonomy to perform on-orbit time critical operations or to cope with the absence of visibility windows. Therefore, the on-board software has consistently become an integral part of the majority of subsystems. The problem of defining a process for software development, verification and validation has arisen. In particular Guidance, Navigation and Control / Attitude and Orbit Control System (GNC/AOCS) software is highly critical for mission success and needs to undergo a thorough process to ensure its quality and safety. A Model-Based Design approach to the development of GNC/AOCS is proposed by exploiting the case study of orbit navigation software. The development of a Model-in-the-Loop (MIL) simulation facility is tackled, real-world models for the sensors are developed dealing with their typical error sources. The navigation software consists of an Extended Kalman Filter (EKF) algorithm for on-board orbit estimation, utilizing accelerometer and Global Navigation Satellite System (GNSS) receivers measurements. Steps in the MIL-SIL-PIL-HIL simulations chain are presented, also addressing the European Cooperation for Space Standardization (ECSS) standards. A comparison with aviation domain standard for software safety certification, DO-178C, is presented. Evaluation of the developed orbit navigation system through Monte Carlo simulation has shown satisfactory results. Application of model-based design methodologies to AOCS software has proven to be an effective tool for the software development process.

I requisiti delle missioni spaziali richiedono una maggiore dell'autonomia per eseguire operazioni temporalmente critiche in orbita o per far fronte all'assenza di finestre di visibilità. Di conseguenza, il software di bordo è diventato parte integrale della maggior parte dei sottosistemi. Il problema della definizione di un processo per lo sviluppo, la verifica e la convalida del software è quindi emerso. In particolare, il software di Guida, Navigazione e Controllo / Sistema di Controllo dell'Assetto e dell'Orbita (GNC/AOCS) è estremamente critico per il successo della missione e deve essere sottoposto a un processo strutturato per garantirne la qualità e la sicurezza. Si propone un approccio basato su modelli per lo sviluppo del GNC/AOCS, sfruttando il caso applicativo di un software per navigazione orbitale. Si affronta lo sviluppo di un sistema di simulazione Model-in-the-Loop (MIL) e dei modelli dei sensori, sviluppati gestendo le loro tipiche fonti di errore. Il software di navigazione consiste in un algoritmo del Filtro di Kalman Esteso (EKF) per la stima dell'orbita a bordo, utilizzando misurazioni degli accelerometri e di ricevitori per il Sistema di Navigazione Satellitare Globale (GNSS). Vengono presentati i passaggi nella catena di simulazioni MIL-SIL-PIL-HIL, affrontando anche la normativa della Cooperazione Europea per la Standardizzazione dello Spazio (ECSS). Viene presentato un confronto con la normativa del dominio dell'aviazione per la certificazione della sicurezza del software, la DO-178C. La valutazione del sistema di navigazione orbitale attraverso simulazioni Monte Carlo ha mostrato risultati soddisfacenti. L'applicazione di metodologie di progettazione basate su modelli al software AOCS si è mostrata essere uno strumento efficace per il processo di sviluppo del software.