HERMES mission: contacts scheduler and ground segment design

The High Energy Rapid Modular Ensemble of Satellites (HERMES) mission is an innovative CubeSat-based constellation designed to enhance the detection and localization of Gamma-Ray Bursts (GRBs) and other high-energy astrophysical transients. A critical challenge in the mission’s operations is the efficient scheduling of satellite-ground communication. This thesis presents the implementation of a contact scheduling algorithm that optimizes data downlink opportunities across a network of ground stations. A mixed-integer linear programming (MILP) approach is employed as part of the scheduling framework to maximize data transmission while considering constraints such as satellite visibility, storage capacity, and transmission priorities. Additionally, the thesis focuses on the design and expansion of the ground segment to enhance mission efficiency. This includes an analysis of station placement strategies and communication link budgets to improve data throughput. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed scheduling framework in maximizing scientific data return. As part of this effort, a new ground station was physically installed in Spino d’Adda, Italy, including infrastructure setup and system integration. The methodologies developed in this work contribute to the operational efficiency of CubeSat-based astronomy missions and provide a scalable approach to scheduling and ground segment design for future satellite constellations.

La missione High Energy Rapid Modular Ensemble of Satellites (HERMES) è una costellazione innovativa di CubeSat progettata per migliorare il rilevamento e la localizzazione dei Gamma-Ray Burst (GRB) e di altri transitori astrofisici ad alta energia. Una sfida cruciale nelle operazioni della missione è la pianificazione efficiente delle comunicazioni tra i satelliti e le stazioni di terra. Questa tesi presenta l'implementazione di un algoritmo di scheduling dei contatti, volto a ottimizzare le opportunità di downlink dei dati attraverso una rete di stazioni di terra. Nell’ambito di questo framework, viene utilizzato un approccio di programmazione lineare intera mista (MILP) per massimizzare la trasmissione dei dati, tenendo conto di vincoli quali visibilità dei satelliti, capacità di memoria e priorità di trasmissione. Inoltre, la tesi si concentra sulla progettazione e l'espansione del segmento di terra per migliorare l'efficienza della missione. Questo include un'analisi delle strategie di posizionamento delle stazioni e dei link budget per aumentare il throughput dei dati. I risultati delle simulazioni dimostrano l'efficacia del framework di scheduling proposto nell'ottimizzare la trasmissione dei dati scientifici. Come parte di questo lavoro, è stata fisicamente installata una nuova stazione di terra a Spino d’Adda, Italia, comprendente l’allestimento dell'infrastruttura e l'integrazione del sistema. Le metodologie sviluppate in questo studio contribuiscono all'efficienza operativa delle missioni astronomiche basate su CubeSat e forniscono un approccio scalabile alla pianificazione dei contatti e alla progettazione del segmento di terra per future costellazioni satellitari.