Preliminary design of an on-board autonomous re-tasker for Earth observation satellites

The increasing need for autonomous satellite operations has driven research into intelligent on-board systems capable of real-time decision-making. This thesis focuses on the development of an on-board autonomous re-tasking system for Earth Observation (EO) satellites, designed within the Crisis Intelligent Satellite for Emergency Response and Environmental Security (CISERES) project under European Space Agency (ESA)’s Civil Security from Space (CSS) program. The re-tasking system enables satellites to autonomously modify their operations in response to emergency scenarios and dynamic observation requirements. A tri-level architecture was developed, comprising a decision module, a planning module, and a transfer computation module. The decision module determines the optimal sequence of areas of interest to observe, the planning module identifies the necessary strategies to connect two consecutive areas of interest, and the transfer computation module optimizes the trajectories for minimal resource consumption. The research incorporated heuristic optimization techniques to ensure efficient scheduling and execution of re-tasking actions. The key outcome of this work consists on the implementation of a modular and scalable re-tasking logical system, which autonomously computes observation sequences while minimizing propellant usage and optimizing satellite resources. Additionally, the implementation of the modules, of which the tool is composed, is presented. Future developments start from generalizing the problem to real-life scenarios, to then move to enhancing real-time decision-making through Artificial Intelligence (AI) integration, and extending the tool to multi-satellite constellations. Additional research will focus on refining optimization methodologies to increase operational efficiency. This thesis lays the foundation for further advancements in autonomous satellite operations, contributing to the evolution of intelligent space mission management.

La crescente necessità di operazioni satellitari autonome ha spinto la ricerca verso sistemi di bordo intelligenti, capaci di prendere decisioni in tempo reale. Questa tesi si concentra sullo sviluppo di un sistema autonomo di riprogrammazione operativa per satelliti adibiti all'osservazione terrestre, progettato nell'ambito del progetto Crisis Intelligent Satellite for Emergency Response and Environmental Security, sotto il programma Civil Security from Space dell'ESA. Il sistema di ripianificazione consente ai satelliti di modificare autonomamente le proprie operazioni in risposta a scenari di emergenza e a requisiti dinamici di osservazione. È stata sviluppata un'architettura a tre livelli, composta da un modulo decisionale, un modulo di pianificazione e un modulo di calcolo dei trasferimenti. Il modulo decisionale determina la sequenza ottimale delle aree di interesse da osservare, il modulo di pianificazione identifica le strategie necessarie per collegare due aree di interesse consecutive, e il modulo di calcolo dei trasferimenti ottimizza le traiettorie per minimizzare il consumo di risorse. La ricerca ha integrato tecniche di ottimizzazione euristica per garantire una riprogrammazione ed esecuzione efficienti delle strategie. Il principale risultato di questo lavoro consiste nell'implementazione di un sistema logico di riprogrammazione modulare e scalabile, capace di calcolare autonomamente le sequenze di osservazione riducendo al minimo il consumo di propellente e ottimizzando l'utilizzo delle risorse del satellite. Inoltre, viene presentata l'implementazione dei moduli che compongono lo strumento. Gli sviluppi futuri prevedono la generalizzazione del problema a scenari reali, seguita dal miglioramento della capacità decisionale in tempo reale tramite l'integrazione dell'intelligenza artificiale e dall'estensione dello strumento a costellazioni di satelliti. Ulteriori ricerche si concentreranno sul perfezionamento delle metodologie di ottimizzazione per aumentare l'efficienza operativa. Questa tesi pone le basi per ulteriori progressi nelle operazioni satellitari autonome, contribuendo all'evoluzione della gestione intelligente delle missioni spaziali.