Architectural analysis of reactive satellite systems for short-lifecycle disaster monitoring and early warnings

recent years, traditional large monolithic and multi-purpose satellites have faced scrutiny, with small distributed satellite systems emerging as the dominant trend in space missions. This shift is driven by factors such as reduced mission failure risk, cost-effective production and launches, and increased flexibility for various mission scenarios. This preference for distributed satellite systems extends to Earth observation missions, especially in disaster monitoring cases, which are particularly pertinent to this research. Several enabling technologies, notably Artificial Intelligence (AI) and intersatellite-links, are gaining significant interest in the context of distributed satellite missions. These architectural drivers are expected to address a well-known limitation in space missions: the need for increased autonomy. In Earth observation missions, increased autonomy can lead to faster responses to highly dangerous scenarios like urban floods, burns scars, and earthquakes, ultimately enhancing intervention capabilities and reducing the impact of disasters on human lives and assets. The primary objective of this thesis is to define the concept of a "reactive" satellite system, capable of autonomously responding to rapidly evolving events detected by Earth observation systems. This research begins by identifying key requirements and understanding the limitations in meeting them, drawing from practical scenarios relevant to the Italian territory, such as wildfires and power-grid blackouts caused by wet snow accretions. The main challenge identified is the reduction of total system response time, prompting a focus on exploring potential solutions to optimize this aspect. Two key enablers are considered for this task: data relays and intersatellite links connectivity within constellations. The aim is to conduct a sensitivity analysis of different system architectures incorporating these elements, comprehending their limitations and potentialities. Ultimately, this research serves as a foundation for future investigations into the development of reactive systems in Earth observation missions.

Negli ultimi anni, i tradizionali satelliti grandi monolitici e multiuso sono stati confutati, mentre i piccoli sistemi satellitari distribuiti emergono come tendenza dominante nelle missioni spaziali. Questo cambiamento è guidato da fattori come la riduzione del rischio di fallimento delle missioni, la produzione e il lancio più economici e una maggiore flessibilità per vari scenari di missione. Questa preferenza per i sistemi satellitari distribuiti si estende alle missioni di osservazione della Terra, specialmente nei casi di monitoraggio dei disastri, che sono particolarmente pertinenti per questa ricerca. Diverse tecnologie abilitanti, in particolare l’Intelligenza Artificiale (AI) e i collegamenti intersatellitari, stanno guadagnando un interesse significativo nel contesto delle missioni satellitari distribuite. Questi driver architetturali sono attesi per affrontare una limitazione ben nota nelle missioni spaziali: la necessità di aumentare l’autonomia. Nelle missioni di osservazione della Terra, un’autonomia aumentata può portare a risposte più rapide a scenari estremamente pericolosi come inondazioni urbane, cicatrici da incendi e terremoti, migliorando ulteriormente le capacità di intervento e riducendo l’impatto dei disastri sulle vite umane e sulle risorse. L’obiettivo principale di questa tesi è definire il concetto di un sistema satellitare "reattivo", in grado di rispondere autonomamente a eventi in rapida evoluzione rilevati dai sistemi di osservazione della Terra. Questa ricerca inizia identificando requisiti chiave e comprendendo le limitazioni nel soddisfarli, attingendo a scenari pratici rilevanti per il territorio italiano, come incendi boschivi e black-out delle reti elettriche causati da accumuli di neve . La sfida principale identificata è nella riduzione del tempo di risposta totale del sistema, spingendo a concentrarsi sull’esplorare soluzioni potenziali per ottimizzare questo aspetto. Due principali facilitatori sono considerati per questo compito: i ripetitori di dati satellitari e la connettività intersatellitare all’interno delle costellazioni. L’obiettivo è condurre un’analisi di sensibilità di diverse architetture di sistema che incorporano questi elementi, comprendendone le limitazioni e le potenzialità. In definitiva, questa ricerca serve come base per future indagini nello sviluppo di sistemi reattivi nelle missioni di osservazione della Terra.