In pursuit of autonomous distributed satellite systems

A la pàgina 265 diu: "In an effort to facilitate the reproduction of results, both the source code of the simulation environment and the configuration files that were prepared for the design characterisation are available in an open repository: https://github.com/carlesaraguz/aeossSatellite imagery has become an essential resource for environmental, humanitarian, and industrial endeavours. As a means to satisfy the requirements of new applications and user needs, novel Earth Observation (EO) systems are exploring the suitability of Distributed Satellite Systems (DSS) in which multiple observation assets concurrently sense the Earth. Given the temporal and spatial resolution requirements of EO products, DSS are often envisioned as large-scale systems with multiple sensing capabilities operating in a networked manner. Enabled by the consolidation of small satellite platforms and fostered by the emerging capabilities of distributed systems, these new architectures pose multiple design and operational challenges. Two of them are the main pillars of this research, namely, the conception of decision-support tools to assist the architecting process of a DSS, and the design of autonomous operational frameworks based on decentralised, on-board decision-making. The first part of this dissertation addresses the architecting of heterogeneous, networked DSS architectures that hybridise small satellite platforms with traditional EO assets. We present a generic design-oriented optimisation framework based on tradespace exploration methodologies. The goals of this framework are twofold: to select the most optimal constellation design; and to facilitate the identification of design trends, unfeasible regions, and tensions among architectural attributes. Oftentimes in EO DSS, system requirements and stakeholder preferences are not only articulated through functional attributes (i.e. resolution, revisit time, etc.) or monetary constraints, but also through qualitative traits such as flexibility, evolvability, robustness, or resiliency, amongst others. In line with that, the architecting framework defines a single figure of merit that aggregates quantitative attributes and qualitative ones-the so-called ilities of a system. With that, designers can steer the design of DSS both in terms of performance or cost, and in terms of their high-level characteristics. The application of this optimisation framework has been illustrated in two timely use-cases identified in the context of the EU-funded ONION project: a system that measures ocean and ice parameters in Polar regions to facilitate weather forecast and off-shore operations; and a system that provides agricultural variables crucial for global management of water stress, crop state, and draughts. The analysis of architectural features facilitated a comprehensive understanding of the functional and operational characteristics of DSS. With that, this thesis continues to delve into the design of DSS by focusing on one particular functional trait: autonomy. The minimisation of human-operator intervention has been traditionally sought in other space systems and can be especially critical for large-scale, structurally dynamic, heterogeneous DSS. In DSS, autonomy is expected to cope with the likely inability to operate very large-scale systems in a centralised manner, to improve the science return, and to leverage many of their emerging capabilities (e.g. tolerance to failures, adaptability to changing structures and user needs, responsiveness). We propose an autonomous operational framework that provides decentralised decision-making capabilities to DSS by means of local reasoning and individual resource allocation, and satellite-to-satellite interactions. In contrast to previous works, the autonomous decision-making framework is evaluated in this dissertation for generic constellation designs the goal of which is to minimise global revisit times. As part of the characterisation of our solution, we stressed the implications that autonomous operations can have upon satellite platforms with stringent resource constraints (e.g. power, memory, communications capabilities) and evaluated the behaviour of the solution for a large-scale DSS composed of 117 CubeSat-like satellite units.La imatgeria per satèl·lit ha esdevingut un recurs essencial per assolir tasques ambientals, humanitàries o industrials. Per tal de satisfer els requeriments de les noves aplicacions i usuaris, els sistemes d’observació de la Terra (OT) estan explorant la idoneïtat dels Sistemes de Satèl·lit Distribuïts (SSD), on múltiples observatoris espacials mesuren el planeta simultàniament. Degut al les resolucions temporals i espacials requerides, els SSD sovint es conceben com sistemes de gran escala que operen en xarxa. Aquestes noves arquitectures promouen les capacitats emergents dels sistemes distribuïts i, tot i que són possibles gràcies a l’acceptació de les plataformes de satèl·lits petits, encara presenten molts reptes en quant al disseny i operacions. Dos d’ells són els pilars principals d’aquesta tesi, en concret, la concepció d’eines de suport a la presa de decisions pel disseny de SSD, i la definició d’operacions autònomes basades en gestió descentralitzada a bord dels satèl·lits. La primera part d’aquesta dissertació es centra en el disseny arquitectural de SSD heterogenis i en xarxa, imbricant tecnologies de petits satèl·lits amb actius tradicionals. Es presenta un entorn d’optimització orientat al disseny basat en metodologies d’exploració i comparació de solucions. Els objectius d’aquest entorn són: la selecció el disseny de constel·lació més òptim; i facilitar la identificació de tendències de disseny, regions d’incompatibilitat, i tensions entre atributs arquitecturals. Sovint en els SSD d’OT, els requeriments del sistema i l’expressió de prioritats no només s’articulen en quant als atributs funcionals o les restriccions monetàries, sinó també a través de les característiques qualitatives com la flexibilitat, l’evolucionabilitat, la robustesa, o la resiliència, entre d’altres. En línia amb això, l’entorn d’optimització defineix una única figura de mèrit que agrega rendiment, cost i atributs qualitatius. Així l’equip de disseny pot influir en les solucions del procés d’optimització tant en els aspectes quantitatius, com en les característiques dalt nivell. L’aplicació d’aquest entorn d’optimització s’il·lustra en dos casos d’ús actuals identificats en context del projecte europeu ONION: un sistema que mesura paràmetres de l’oceà i gel als pols per millorar la predicció meteorològica i les operacions marines; i un sistema que obté mesures agronòmiques vitals per la gestió global de l’aigua, l’estimació d’estat dels cultius, i la gestió de sequeres. L’anàlisi de propietats arquitecturals ha permès copsar de manera exhaustiva les característiques funcionals i operacionals d’aquests sistemes. Amb això, la tesi ha seguit aprofundint en el disseny de SSD centrant-se, particularment, en un tret funcional: l’autonomia. Minimitzar la intervenció de l’operador humà és comú en altres sistemes espacials i podria ser especialment crític pels SSD de gran escala, d’estructura dinàmica i heterogenis. En els SSD s’espera que l’autonomia solucioni la possible incapacitat d’operar sistemes de gran escala de forma centralitzada, que millori el retorn científic i que n’apuntali les seves propietats emergents (e.g. tolerància a errors, adaptabilitat a canvis estructural i de necessitats d’usuari, capacitat de resposta). Es proposa un sistema d’operacions autònomes que atorga la capacitat de gestionar els sistemes de forma descentralitzada, a través del raonament local, l’assignació individual de recursos, i les interaccions satèl·lit-a-satèl·lit. Al contrari que treballs anteriors, la presa de decisions autònoma s’avalua per constel·lacions que tenen com a objectius de missió la minimització del temps de revisita global.Postprint (published version

In pursuit of autonomous distributed satellite systems

Satellite imagery has become an essential resource for environmental, humanitarian, and industrial endeavours. As a means to satisfy the requirements of new applications and user needs, novel Earth Observation (EO) systems are exploring the suitability of Distributed Satellite Systems (DSS) in which multiple observation assets concurrently sense the Earth. Given the temporal and spatial resolution requirements of EO products, DSS are often envisioned as large-scale systems with multiple sensing capabilities operating in a networked manner. Enabled by the consolidation of small satellite platforms and fostered by the emerging capabilities of distributed systems, these new architectures pose multiple design and operational challenges. Two of them are the main pillars of this research, namely, the conception of decision-support tools to assist the architecting process of a DSS, and the design of autonomous operational frameworks based on decentralised, on-board decision-making. The first part of this dissertation addresses the architecting of heterogeneous, networked DSS architectures that hybridise small satellite platforms with traditional EO assets. We present a generic design-oriented optimisation framework based on tradespace exploration methodologies. The goals of this framework are twofold: to select the most optimal constellation design; and to facilitate the identification of design trends, unfeasible regions, and tensions among architectural attributes. Oftentimes in EO DSS, system requirements and stakeholder preferences are not only articulated through functional attributes (i.e. resolution, revisit time, etc.) or monetary constraints, but also through qualitative traits such as flexibility, evolvability, robustness, or resiliency, amongst others. In line with that, the architecting framework defines a single figure of merit that aggregates quantitative attributes and qualitative ones-the so-called ilities of a system. With that, designers can steer the design of DSS both in terms of performance or cost, and in terms of their high-level characteristics. The application of this optimisation framework has been illustrated in two timely use-cases identified in the context of the EU-funded ONION project: a system that measures ocean and ice parameters in Polar regions to facilitate weather forecast and off-shore operations; and a system that provides agricultural variables crucial for global management of water stress, crop state, and draughts. The analysis of architectural features facilitated a comprehensive understanding of the functional and operational characteristics of DSS. With that, this thesis continues to delve into the design of DSS by focusing on one particular functional trait: autonomy. The minimisation of human-operator intervention has been traditionally sought in other space systems and can be especially critical for large-scale, structurally dynamic, heterogeneous DSS. In DSS, autonomy is expected to cope with the likely inability to operate very large-scale systems in a centralised manner, to improve the science return, and to leverage many of their emerging capabilities (e.g. tolerance to failures, adaptability to changing structures and user needs, responsiveness). We propose an autonomous operational framework that provides decentralised decision-making capabilities to DSS by means of local reasoning and individual resource allocation, and satellite-to-satellite interactions. In contrast to previous works, the autonomous decision-making framework is evaluated in this dissertation for generic constellation designs the goal of which is to minimise global revisit times. As part of the characterisation of our solution, we stressed the implications that autonomous operations can have upon satellite platforms with stringent resource constraints (e.g. power, memory, communications capabilities) and evaluated the behaviour of the solution for a large-scale DSS composed of 117 CubeSat-like satellite units.La imatgeria per satèl·lit ha esdevingut un recurs essencial per assolir tasques ambientals, humanitàries o industrials. Per tal de satisfer els requeriments de les noves aplicacions i usuaris, els sistemes d’observació de la Terra (OT) estan explorant la idoneïtat dels Sistemes de Satèl·lit Distribuïts (SSD), on múltiples observatoris espacials mesuren el planeta simultàniament. Degut al les resolucions temporals i espacials requerides, els SSD sovint es conceben com sistemes de gran escala que operen en xarxa. Aquestes noves arquitectures promouen les capacitats emergents dels sistemes distribuïts i, tot i que són possibles gràcies a l’acceptació de les plataformes de satèl·lits petits, encara presenten molts reptes en quant al disseny i operacions. Dos d’ells són els pilars principals d’aquesta tesi, en concret, la concepció d’eines de suport a la presa de decisions pel disseny de SSD, i la definició d’operacions autònomes basades en gestió descentralitzada a bord dels satèl·lits. La primera part d’aquesta dissertació es centra en el disseny arquitectural de SSD heterogenis i en xarxa, imbricant tecnologies de petits satèl·lits amb actius tradicionals. Es presenta un entorn d’optimització orientat al disseny basat en metodologies d’exploració i comparació de solucions. Els objectius d’aquest entorn són: la selecció el disseny de constel·lació més òptim; i facilitar la identificació de tendències de disseny, regions d’incompatibilitat, i tensions entre atributs arquitecturals. Sovint en els SSD d’OT, els requeriments del sistema i l’expressió de prioritats no només s’articulen en quant als atributs funcionals o les restriccions monetàries, sinó també a través de les característiques qualitatives com la flexibilitat, l’evolucionabilitat, la robustesa, o la resiliència, entre d’altres. En línia amb això, l’entorn d’optimització defineix una única figura de mèrit que agrega rendiment, cost i atributs qualitatius. Així l’equip de disseny pot influir en les solucions del procés d’optimització tant en els aspectes quantitatius, com en les característiques dalt nivell. L’aplicació d’aquest entorn d’optimització s’il·lustra en dos casos d’ús actuals identificats en context del projecte europeu ONION: un sistema que mesura paràmetres de l’oceà i gel als pols per millorar la predicció meteorològica i les operacions marines; i un sistema que obté mesures agronòmiques vitals per la gestió global de l’aigua, l’estimació d’estat dels cultius, i la gestió de sequeres. L’anàlisi de propietats arquitecturals ha permès copsar de manera exhaustiva les característiques funcionals i operacionals d’aquests sistemes. Amb això, la tesi ha seguit aprofundint en el disseny de SSD centrant-se, particularment, en un tret funcional: l’autonomia. Minimitzar la intervenció de l’operador humà és comú en altres sistemes espacials i podria ser especialment crític pels SSD de gran escala, d’estructura dinàmica i heterogenis. En els SSD s’espera que l’autonomia solucioni la possible incapacitat d’operar sistemes de gran escala de forma centralitzada, que millori el retorn científic i que n’apuntali les seves propietats emergents (e.g. tolerància a errors, adaptabilitat a canvis estructural i de necessitats d’usuari, capacitat de resposta). Es proposa un sistema d’operacions autònomes que atorga la capacitat de gestionar els sistemes de forma descentralitzada, a través del raonament local, l’assignació individual de recursos, i les interaccions satèl·lit-a-satèl·lit. Al contrari que treballs anteriors, la presa de decisions autònoma s’avalua per constel·lacions que tenen com a objectius de missió la minimització del temps de revisita global

Social Insect-Inspired Adaptive Hardware

Modern VLSI transistor densities allow large systems to be implemented within a single chip. As technologies get smaller, fundamental limits of silicon devices are reached resulting in lower design yields and post-deployment failures. Many-core systems provide a platform for leveraging the computing resource on offer by deep sub-micron technologies and also offer high-level capabilities for mitigating the issues with small feature sizes. However, designing for many-core systems that can adapt to in-field failures and operation variability requires an extremely large multi-objective optimisation space. When a many-core reaches the size supported by the densities of modern technologies (thousands of processing cores), finding design solutions in this problem space becomes extremely difficult. Many biological systems show properties that are adaptive and scalable. This thesis proposes a self-optimising and adaptive, yet scalable, design approach for many-core based on the emergent behaviours of social-insect colonies. In these colonies there are many thousands of individuals with low intelligence who contribute, without any centralised control, to complete a wide range of tasks to build and maintain the colony. The experiments presented translate biological models of social-insect intelligence into simple embedded intelligence circuits. These circuits sense low-level system events and use this manage the parameters of the many-core's Network-on-Chip (NoC) during runtime. Centurion, a 128-node many-core, was created to investigate these models at large scale in hardware. The results show that, by monitoring a small number of signals within each NoC router, task allocation emerges from the social-insect intelligence models that can self-configure to support representative applications. It is demonstrated that emergent task allocation supports fault tolerance with no extra hardware overhead. The response-threshold decision making circuitry uses a negligible amount of hardware resources relative to the size of the many-core and is an ideal technology for implementing embedded intelligence for system runtime management of large-complexity single-chip systems

Feature Papers of Drones - Volume I

[EN] The present book is divided into two volumes (Volume I: articles 1–23, and Volume II: articles 24–54) which compile the articles and communications submitted to the Topical Collection ”Feature Papers of Drones” during the years 2020 to 2022 describing novel or new cutting-edge designs, developments, and/or applications of unmanned vehicles (drones). Articles 1–8 are devoted to the developments of drone design, where new concepts and modeling strategies as well as effective designs that improve drone stability and autonomy are introduced. Articles 9–16 focus on the communication aspects of drones as effective strategies for smooth deployment and efficient functioning are required. Therefore, several developments that aim to optimize performance and security are presented. In this regard, one of the most directly related topics is drone swarms, not only in terms of communication but also human-swarm interaction and their applications for science missions, surveillance, and disaster rescue operations. To conclude with the volume I related to drone improvements, articles 17–23 discusses the advancements associated with autonomous navigation, obstacle avoidance, and enhanced flight plannin

Earth Resources: A continuing bibliography with indexes, issue 40

This bibliography lists 423 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system between October 1 and December 31, 1983. Emphasis is placed on the use of remote sensing and geophysical instrumentation in spacecraft and aircraft to survey and inventory natural resources and urban areas. Subject matter is grouped according to agriculture and forestry, environmental changes and cultural resources, geodesy and cartography, geology and mineral resources, hydrology and water management, data processing and distribution systems, instrumentation and sensors, and economical analysis