Development of a Cubesat-based payload for sounding rocket: real-time sensor fault detection and fiberglass-embedded antenna system

L'industria aerospaziale moderna si affida in misura sempre crescente a sistemi in cui l'affidabilità dei dati provenienti dai sensori è fondamentale per il successo della missione e la sicurezza del vettore. In questo contesto, il presente lavoro di tesi espone la progettazione, lo sviluppo e la validazione sperimentale in volo del payload, un dimostratore realizzato all'interno dell'associazione Skyward Experimental Rocketry. L'obiettivo primario del progetto è stato quello di colmare il divario tra la ricerca e sviluppo per applicazioni aerospaziali, concentrandosi su tecniche di Sensor Fault Detection e l'integrazione strutturale delle antenne. Il payload presenta un'architettura di sensori ridondante basata su tre barometri, gestita da un doppio sistema di Fault Detection and Recovery. Tale sistema combina un algoritmo deterministico di Majority Voting (SFD), per l'isolamento immediato dei guasti hardware e un approccio che utilizza una OCSVM per la classificazione. Quest'ultima è stata progettata per rilevare sottili anomalie statistiche nella dinamica di volo che i metodi tradizionali a soglia potrebbero trascurare, convertendo efficacemente i dati di volo non stazionari in un processo stocastico stazionario per la classificazione in tempo reale. Parallelamente allo sviluppo software, la tesi esplora l'integrazione strutturale dei sistemi di comunicazione attraverso la progettazione e la produzione di antenne integrate nella fibra di vetro. Laminando i componenti a radiofrequenza (RF) direttamente nel telaio della struttura composita, il payload ottimizza il volume interno rispetto ai tradizionali montaggi esterni o interni. Le prestazioni del sistema sono state rigorosamente validate attraverso due campagne di lancio sperimentali: un volo di test a Roccaraso (Italia) e una missione durante l'European Rocketry Challenge (EuRoC) in Portogallo. I dati di volo hanno confermato la robustezza della logica SFD, mentre il sistema RF ha garantito prestazioni eccellenti stabilendo un collegamento affidabile durante la missione. La riuscita validazione di queste tecnologie lascia una base per ulteriori sviluppiper l'associazione, portando alla diretta adozione dell'architettura SFD a tre sensori e delle antenne patch integrate nel successivo Progetto Orion.

The modern aerospace industry increasingly relies on systems where the reliability of sensor data is paramount for mission success and vehicle safety. In the context of experimental rocketry, this thesis presents the design, development, and flight validation of the Lyra payload, a technological demonstrator developed within the Skyward Experimental Rocketry association. The primary objective of the project was to bridge the gap between theoretical and practical aerospace applications, focusing on Sensor Fault Detection and Structural Antenna Integration. The payload features a redundant sensor architecture based on three barometers, managed by a dual-layer Fault Detection and Recovery system. This system combines a deterministic Majority Voting algorithm (SFD) for immediate hardware failure isolation and a Data-Driven approach (DDSFD) utilizing One-Class Support Vector Machine (OCSVM). The latter was designed to detect subtle statistical anomalies in flight dynamics that traditional threshold-based methods might overlook, effectively converting non-stationary flight data into a stationary stochastic process for real-time classification. Parallel to the software development, the thesis explores the structural integration of communication systems through the design and manufacturing of fiberglass-embedded antennas. By laminating the RF components directly into the composite structure frame, the payload optimize internal volume compared to traditional external or internal mounts. The system's performance was rigorously validated through two experimental launch campaigns: a qualification flight in Roccaraso (Italy) and a high-performance mission at the European Rocketry Challenge (EuRoC) in Portugal. Flight data confirmed the robustness of the SFD logic, while the RF system performed well establishing reliable telemetry links during the mission. The successful validation of these technologies has established a new technical heritage for the association, leading to the direct adoption of the three-sensor SFD architecture and advanced embedded patch antennas in the subsequent Project Orion.