Design, simulation, management and control of a cooperative, distributed, earth-observation satellite system

The research presented in this thesis explores the potential of, and develops a framework for, the application of fractionated satellite systems to science-dedicated Earth observation missions. The label fractioned satellites highlights the physical distribution of the functionalities of the spacecraft (e.g. power generation, telecommunication, etc.) over a cluster of orbiting elements. The resultant distributed system can be seen as a free-flying payload supported by free-flying service modules. In general, the paradigm shift towards using a multiple-satellite cluster has been fuelled by the perceived advantages of increased robustness, greater flexibility, and in order to accomplish the large-scale geometries imposed by specific science objectives. Small distributed spacecraft could also guarantee better coverage than monolithic with almost comparable performances due to sensors miniaturisation. There are many ways to implement the fractionation; by interpreting literally the idea, it is possible to de-couple entirely the subsystems using different modules thus creating a completely heterogeneous system. In order to cut down the costs it seems reasonable to produce standard buses for every subsystems. Nonetheless a complete functional decomposition with the current technology not only is impractical, it is physically impossible. Every module must be able to provide by itself to basic functionality like power distribution or thermal control as well as structural integrity. Thus the most logic configuration for a fractionated spacecraft is a combination of shared resources and module-owned properties. Apart from design issue, operation phase poses a new class of challenges by itself: the introduction of the fractionated approach requires a new methodology to control and coordinate the spacecraft system efforts in order to guarantee that remote resources will be gathered and distributed according to the satellites needs; furthermore the proposed concept has been thought to be scalable to large systems, possibly involving tenth of different elements. The operational costs of monitoring and commanding a large fleet of close-orbiting satellites is likely to be unreasonable unless the on-board software is sufficiently autonomous, robust, and re-configurable. As the goal of this research is to develop a methodology to design and simulate distributed satellite systems but no satellites with fractioned architecture actually exist, frameworks tailored to address this unique concept have to be developed and, in order to compare the performances of the fractionated system with the corresponding monolithic satellite, objective quantities have to be evaluated, like the total cost of the spacecraft including estimated development and research, ground support, construction, integration and launch. For the design phase, several topics have been investigated, ranging from automated satellite design, analysis and evaluation of distributed resources, optimisation techniques. The first step has been the creation and validation of a monolithic-satellite aimed design tool able to assemble science-dedicated LEO satellite with a reasonable degree of confidence given informations about payload, mission and additional constraints like specific launchers or ground stations. Fundamental requirements for the tool are the capacities to provide subsystems power and mass budgets, main components list and reliabilities. A validation campaign using existing satellites as reference has been conducted. Then the capacity to handle fractioned resources has been introduced by requirements and hardware modifications. Considered fractioned subsystems are power generation and transfer by means of lasers, distributed communication and data processing and remote attitude determination. Finally a particle based optimisation method has been used to evaluate whose combination of number of satellites, shared resources and original requirements, derived from the mission payloads, could exhibit highest fitness values. The optimisation algorithm highlighted that only distributed communication and data handling could, in some cases, allow for a cost reduction whereas the reduced efficiency of the present day wireless energy transmission methods penalises this kind of solution. Analogously the shared attitude determination is not attractive due its complex implementation without significant performances improvement. The operation phase is aimed at simulate the behaviour of the satellite during its orbit; due to the particular features introduced by the fractionation, it has been modelled to consider the additional effects introduced by fractionation, mainly the fact that resources and users are not necessarily co-located within the same satellite thus a strategy to enable and control the remote access to means must be provided. The capacity to replicate has been the first step; included elements in the simulation framework are orbit and attitude evolution including effects due to disturbances and controls, power subsystem, with evaluations of generated, consumed and available power; communication subsystems, including long and short range connections; thermal subsystem, able to evaluate the satellite components temperature and to control them using heaters; propulsion subsystem; attitude control system with simplified actuator models whose used power and propellant affect power and propulsion systems respectively; GNC algorithms. Considerable attention has been given to subsystems mutual influences, identified through a priory analysis. Additional features to account for multiple satellite simulations have been included, as a cooperation model for communication, relative attitude and position evaluation and the upgrade of GNC algorithm to manage several spacecraft. In particular a game theory based schema has been used to coordinate satellites efforts and share autonomously the communication resources. Optimisation and simulated operation phase highlighted possible advantages and drawbacks of the fractionated concept: unlike the remote power transfer and attitude determination, shared communications and data handling could allow a cost reduction and performances improvement. However the already commissioned data relay systems could achieve similar objectives thus reducing the need for on-purpose communication modules and making the traditional configuration, with a certain margin, the optimal solution when costs are used to evaluate the performances. A comparison of different configurations to achieve extended design life also resulted that conventional approach takes advantage from the limited increase in launch and operation costs whereas fractioned satellites not only have to exploit multiple launchers but their construction cost is significantly influenced by research and development expenses. Further studies will address the development of an increased accuracy cost model influenced by failure probability and the improvement of design and simulation frameworks.

La ricerca presentata in questa tesi esplora il potenziale di, e sviluppa una metodologia di studio per l'applicazione del concetto di sistema frazionato ai satelliti per osservazione della Terra. Per satelliti frazionati si intende una distribuzione fisica delle funzioni di un singolo satellite (ad esempio la generazione di energia, le telecomunicazioni , ecc) su un cluster di elementi che cooperano tra loro. Il sistema distribuito risultante può essere visto come un payload supportato da moduli di servizio capaci di trasferire o rendere disponibili risorse senza bisogno di un collegamento fisico. In generale, l'utilizzo di satelliti composti da elementi multipli è stato motivato dalla maggiore robustezza, flessibilità, e dalla necessità di realizzare le grandi geometrie imposte da specifici obiettivi scientifici. Un sistema distribuito costituito da satelliti di piccole dimensioni (inferiori a 100 kg) può anche garantire una migliore copertura rispetto ad un satellite convenzionale garantendo prestazioni paragonabili a causa della miniaturizzazione dei sensori. Esistono multipli approcci al concetto di satellite frazionato: interpretando letteralmente l'idea, è possibile disaccoppiare completamente i sottosistemi utilizzando diversi moduli creando così un sistema completamente eterogeneo; al fine di ridurre i costi sembrerebbe ragionevole produrre bus standard per ciascun sottosistema. Tuttavia una decomposizione funzionale completa con la tecnologia attuale non è solo poco pratico, è fisicamente impossibile. Ogni satellite deve essere in grado di soddisfare da solo requisiti di base come la distribuzione dell'energia elettrica, il controllo termico o l'integrità strutturale. La configurazione più logica per un veicolo spaziale frazionato è quindi una combinazione di risorse condivise e private su ciascun modulo. Oltre al problema della progettazione, anche la fase operativa rappresenta una sfida a sé stante: l'introduzione dell'approccio frazionato richiede una nuova metodologia per assicurare il controllo e il coordinamento del sistema al fine di garantire che le risorse remote siano raccolte e distribuite secondo le esigenze dei satelliti. Inoltre il concetto proposto è stato pensato per essere applicabile su grandi sistemi, comprendenti decine di elementi diversi; i costi negati al comando e controllo di una intera flotta di satelliti sono probabilmente irragionevoli a meno che il software a bordo sia sufficientemente autonomo, robusto, e riconfigurabile da poter gestire senza intervento umano le operazioni. L'obiettivo di questa ricerca è quello di sviluppare una metodologia per progettare e simulare sistemi satellitari distribuiti, ma in realtà non esistono satelliti con architettura frazionata, quindi non solo l'ambiente di sviluppo deve essere creato, ma anche la definizione di una metrica per confrontare le prestazioni del sistema, rappresenta un punto aperto. Al fine di valutare il rapporto costo/benefici della nuova architettura servono parametri oggettivi come il costo totale della navicella comprensivo di ricerca e sviluppo, il supporto a terra, costruzione, integrazione e lancio. Per la fase di design, diversi temi sono stati indagati, dalla progettazione automatizzata di satelliti, l'analisi e la valutazione delle risorse distribuite, alle tecniche di ottimizzazione . Il primo passo è stata la creazione e la validazione di uno strumento di progettazione, finalizzato alla realizzazione di satelliti convenzionali, che fosse in grado di assemblare un satellite scientifico per orbita LEO con un ragionevole grado di accuratezza avendo a disposizione informazioni sul payload, la missione ed eventuali vincoli aggiuntivi come restrizioni sui lanciatori o le stazioni di terra disponibili. Requisiti fondamentali per lo strumento sono le capacità per fornire una stima dei componenti necessari ai singoli sottosistemi, massa e potenza necessaria oltre che una valutazione dell'affidabilità. L'attendibilità dello strumento di design è stata testata utilizzando satelliti esistenti come riferimento. Quindi è stata introdotta la capacità di gestire i sistemi frazionati modificando i parametri di ingresso per consentire le necessarie modifiche alla struttura dei sottosistemi. Le risorse che sono state identificate come suscettibili di distribuzione sono la generazione di energia ed il suo trasferimento per mezzo di laser, la comunicazione, la determinazione di assetto e l'elaborazione dei dati. Infine un metodo di ottimizzazione di tipo PSO è stato usato per valutare l'influenza delle combinazioni di numero di satelliti, condivisione delle risorse e requisiti iniziali sulle prestazioni del sistema e determinare quindi quale era la configurazione migliore. La fase di ottimizzazione ha evidenziato che solo comunicazione distribuita e gestione dati potrebbero, in alcuni casi, consentire una riduzione dei costi mentre la ridotta efficienza degli attuali metodi di trasferimento di potenza penalizza questo tipo di soluzione causando un notevole incremento dei costi. Analogamente la determinazione atteggiamento condiviso non è presente tra le soluzioni ottime a causa della complessità della realizzazione senza che questa sia associata ad un miglioramento delle prestazioni. La fase operativa ha lo scopo di simulare il comportamento del satellite durante la sua orbita; a causa delle caratteristiche dei sistemi frazionati, sono stati aggiunti nella modellazione gli effetti causati dalla distribuzione delle risorse. Le risorse e gli utenti che dovrebbero attingervi non sono necessariamente collocati sullo stesso satellite quindi si rende necessaria una strategia per consentire e controllare l'accesso alle risorse. La capacità di riprodurre il comportamento dei singoli sottosistemi è stato il primo passo; sono stati inclusi la simulazione di orbita ed assetto compresi gli effetti dovuti ai disturbi e controlli, l'EPS, con stima delle potenza generata, consumata e disponibile; comunicazione, con possibilità di effettuare collegamenti a lungo e corto raggio; controllo termico; propulsione, sistema di controllo dell'assetto con modelli semplificati in cui l'uso degli attuatori incide sul bilancio di potenza e sulle scorte di combustibile; algoritmi GNC. Grande attenzione è stata data alle influenze reciproche, tra diversi sottosistemi, individuate attraverso un'analisi preventiva. Caratteristiche aggiuntive erano richieste al fine di poter simulare gli scenari con più di un satellite; a tal fine sono stati inclusi un modello di cooperazione per la comunicazione, la valutazione dell'assetto e della posizione relativa e l'aggiornamento degli algoritmi di GNC. In particolare uno schema basato sulla teoria dei giochi è stato utilizzato per coordinare gli sforzi dei satelliti e condividere autonomamente le risorse di comunicazione. La simulazione delle configurazioni identificate tramite la procedura di ottimizzazione ha evidenziato i possibili vantaggi e svantaggi dell'architettura frazionata: trasferimento di potenza e determinazione in remoto dell'assetto si sono rivelate due tecniche penalizzanti sia dal punto di vista costruttivo, sia operativamente. Al contrario la condivisione delle comunicazioni e della gestione dei dati potrebbero, in alcuni casi, consentire un miglioramento dei costi e delle prestazioni. Tuttavia i sistemi di comunicazione come il TDRS e il suo analogo europeo svolgono compiti analoghi con una maggiore efficienza riducendo così la necessità di moduli di comunicazione dedicati ad un singolo satellite, pertanto la geometria convenzionale è la soluzione ottimale quando i costi sono utilizzati per valutare le prestazioni . Anche da un confronto tra diverse configurazioni atte ad ottenere un estensione della vita operativa è risultato che l'approccio convenzionale, sfruttando il minor numero di lanci ed un moderato incremento dei costi costruttivi (non influenzati da ulteriori ricerche e sviluppi) comporta un costo notevolmente inferiore all'alternativa frazionata. Ulteriori studi riguarderanno lo sviluppo di un modello di costo con una maggiore precisione che tenga conto della probabilità di guasto e il miglioramento degli algoritmi di progettazione e dell'ambiente di simulazione.