The EXTREMA simulation hub: accelerated hardware-in-the-loop simulations of interplanetary transfers

The recent growth of the space industry has highlighted the potential of autonomous capabilities for large-scale missions and satellite constellations. The ERC-funded EXTREMA project aims to further enhance the autonomy of deep-space probes by focusing on the guidance, navigation, and control (GNC) domain, specifically targeting CubeSats — systems typically characterized by lower manufacturing and launch costs, as well as reduced raw performance. To validate the proposed GNC paradigm, EXTREMA aims to build the EXTREMA Simulation Hub (ESH), a distributed hardware-in-the-loop facility designed to simulate an interplanetary transfer. To streamline the simulation flow and ensure repeatability, the ESH is built around an accelerated simulation framework, which is formalized in this work. Furthermore, this work provides details on the physical realization of the simulation facilities - including the air-bearing attitude simulator STASIS and the overall ESH infrastructure. The concepts of the presented framework are then applied to the ESH systems, demonstrating how it is possible to combine the faithfulness of hardware-in-the-loop simulations employing real-world physical systems with the benefits of experiments which extend over reasonable time and dimensional scales.

La recente crescita dell’industria spaziale ha evidenziato il potenziale delle capacità autonome per missioni su larga scala e costellazioni di satelliti. Il progetto EXTREMA, finanziato dall’ERC, mira a potenziare ulteriormente l’autonomia delle sonde per lo spazio profondo concentrandosi sul dominio della guida, navigazione e controllo (GNC), con un focus specifico sui CubeSat — sistemi tipicamente caratterizzati da costi di produzione e lancio inferiori, nonché da prestazioni grezze ridotte. Per convalidare il paradigma GNC proposto, EXTREMA si propone di costruire l’EXTREMA Simulation Hub (ESH), una struttura distribuita hardware-in-the-loop progettata per simulare un trasferimento interplanetario. Per semplificare il flusso di simulazione e garantire la ripetibilità, l’ESH è basato su un framework di simulazione accelerata, formalizzato in questo lavoro. Inoltre, questo lavoro fornisce dettagli sulla realizzazione fisica delle infrastrutture di simulazione — incluso il simulatore di assetto su cuscinetto d’aria STASIS e l’infrastruttura complessiva dell’ESH. I concetti del framework presentato vengono poi applicati ai sistemi dell'ESH, dimostrando come sia possibile combinare la fedeltà delle simulazioni hardware-in-the-loop che utilizzano sistemi fisici reali con i vantaggi di esperimenti estesi su scale temporali e dimensionali sostenibili.