Definition of a model based systems engineering methodology for the development of astronomical instruments

In the last few years, the Italian astronomical community led by INAF has focused on developing instruments for the world's most advanced ground telescopes, such as the VLT and the ELT, as well as for next-generation space telescopes, including Plato and Ariel. These instruments and telescopes present very complex technical challenges that involve multiple technical disciplines and large and international development consortia. The system engineering tasks related to the technical management of these projects are very challenging and expose the limitations of the traditional document-based system engineering approach. The Model Based Systems Engineering (MBSE) approach has been selected to produce a more efficient and reliable systems engineering effort. The first applications to INAF projects focused on solving specific systems engineering tasks for the specific projects without searching for a comprehensive MBSE approach applicable to all projects. This work proposes a new MBSE methodology, named AstroMBSE methodology, applicable to the development of astronomical instruments. It is based on the ESA MBSE methodology, which has been modified better to address the needs of astronomical instruments and their development. The AstroMBSE methodology removes certain features from the ESA MBSE methodology, such as the Mission Specification design layer, while adding other functionalities, including the definition of system interfaces at any development stage. Some other features have been developed together with the AstroMBSE methodology to address specific systems engineering tasks using and relying on the system model. These are interface management, physical structure management, requirements management, documentation management, and system performance simulations. All these features are used in stand-alone mode in the running projects but are designed to be integrated in the AstroMBSE workflow. The systematic application of the AstroMBSE methodology and the other features to current and future projects in INAF shall lead to the definition of standardized systems engineering procedures and strategies. All systems modeled using this approach would be comparable and the experience gathered with each instrument can be gathered in a formalized and structured way, leading to more effective and efficient systems design.

Negli ultimi anni, la comunità astronomica italiana guidata dall'INAF si è concentrata sullo sviluppo di strumenti per i telescopi terrestri più avanzati al mondo, come il VLT e l'ELT, nonché per i telescopi spaziali di nuova generazione, tra cui Plato e Ariel. Questi strumenti e telescopi presentano sfide tecniche molto complesse che coinvolgono diverse discipline tecniche e grandi consorzi di sviluppo internazionali. Le attività di ingegneria dei sistemi relative alla gestione tecnica di questi progetti sono molto impegnative ed evidenziano i limiti dell'approccio tradizionale all'ingegneria dei sistemi basato su documenti. L'approccio Model Based Systems Engineering (MBSE) è stato scelto per rendere più efficiente e affidabile l'attività di ingegneria dei sistemi. Le prime applicazioni ai progetti dell'INAF si sono concentrate sulla risoluzione di compiti specifici di ingegneria dei sistemi per progetti specifici, senza cercare un approccio MBSE completo applicabile a tutti i progetti. Questo lavoro propone una nuova metodologia MBSE, denominata metodologia AstroMBSE, applicabile allo sviluppo di strumenti astronomici. Si basa sulla metodologia MBSE dell'ESA, che è stata modificata per rispondere meglio alle esigenze degli strumenti astronomici e del loro sviluppo. La metodologia AstroMBSE elimina alcune caratteristiche della metodologia MBSE dell'ESA, come il livello di progettazione delle specifiche della missione, aggiungendo altre funzionalità, tra cui la definizione delle interfacce di sistema in qualsiasi fase di sviluppo. Altre caratteristiche sono state sviluppate insieme alla metodologia AstroMBSE per affrontare compiti specifici di ingegneria dei sistemi utilizzando e basandosi sul modello di sistema. Si tratta della gestione delle interfacce, della struttura fisica, dei requisiti, della documentazione e delle simulazioni delle prestazioni del sistema. Tutte queste caratteristiche sono utilizzate in modalità autonoma nei progetti in corso, ma sono progettate per essere integrate nel flusso di lavoro AstroMBSE. L'applicazione sistematica della metodologia AstroMBSE e delle altre funzionalità ai progetti attuali e futuri dell'INAF porterà alla definizione di procedure e strategie standardizzate di ingegneria dei sistemi. Tutti i sistemi modellati utilizzando questo approccio sarebbero comparabili e l'esperienza acquisita con ciascuno strumento potrebbe essere raccolta in modo formalizzato e strutturato, portando a una progettazione dei sistemi più efficace ed efficiente.