Esta tese tem por objetivo propor um novo modelo de desenvolvimento de satélites, chamado de D4AIT (Design for Assembly, Integration and Testing - Projeto para Montagem, Integração e Testes). Esse modelo inclui os requisitos elétricos, mecânicos e ambientais de montagem, integração e testes, em nível de sistema, já na fase de concepção sistêmica do projeto do satélite. As atividades de montagem, integração e testes (AIT) de um satélite são uma seqüência lógica e inter-relacionada de eventos. O principal objetivo dessas atividades é alcançar o grau especificado de confiança de que o satélite está em conformidade com os parâmetros de desempenho especificados. O planejamento e a conseqüente execução dessas atividades sofrem grande impacto das atividades e decisões durante a fase de projeto do satélite. No entanto, mesmo projetos de satélites que se utilizam de engenharia simultânea de alguma forma, não levam em conta os requisitos de AIT nas fases de concepção e detalhamento do projeto do satélite. Como o custo e o tempo incorridos nas atividades de AIT correspondem à cerca de 35% e 23%, respectivamente, do total de um projeto espacial, a antecipação dos requisitos de AIT proporcionam ganhos potencialmente significativos de produtividade e qualidade do produto. Esta tese propõe o modelo D4AIT, desenvolve um método para aplicação desse modelo, aplica o método a um produto espacial real já desenvolvido e que utilizou uma abordagem de desenvolvimento tradicional, analisa potenciais ganhos caso o D4AIT fosse aplicado àquele projeto. O modelo proposto é resultado da caracterização e identificação de necessidades dos processos tradicionais de desenvolvimento de produtos espaciais. As conclusões são de que é possível fazer mudanças no processo tradicional de desenvolvimento de produtos e de que há fortes indicações de que essas mudanças proporcionariam ganhos em produtividade e qualidade no desenvolvimento de satélites. A tese propõe uma forma de implementar essas mudanças.

O objetivo deste trabalho é propor um processo baseado na Engenharia de Sistemas que possa ser aplicado à concepção de veículos lançadores de pequeno porte. A motivação para este trabalho deriva da real necessidade de se ter um processo robusto quando se lida com o desenvolvimento de produtos complexos ou críticos no aspecto da segurança, como é o caso dos veículos lançadores. Para isso, foi realizada uma síntese das técnicas e práticas encontradas nas normas e manuais de Engenharia de Sistemas usados como referência num processo composto de sub-processos e atividades com escopo e precedências definidos. A essência da contribuição deste trabalho está na proposta de um processo de Engenharia de Sistemas e também na discussão da base conceitual e dos exemplos de aplicação necessários para sua adequada compreensão e aplicação. Para o estudo de caso, este trabalho desenvolve considerações sobre o processo de concepção de veículos lançadores, incluindo tópicos sobre os principais fatores de desempenho desses sistemas, e, por fim, ilustra com materiais extraídos da bibliografia disponível exemplos de aplicação do processo proposto no projeto conceitual dos veículos lançadores. Com os resultados obtidos, discute-se sobre as contribuições específicas deste trabalho fazendo correlação com os processos de Engenharia de Sistemas usados como referência. Esta também será uma oportunidade para apresentar e discutir melhor os fundamentos e suposições que estão na base do processo de Engenharia de Sistemas proposto. Como conclusão, foi observado que o processo proposto possui as qualidades necessárias para servir de referência ao projeto conceitual de veículos lançadores bem como ao de projeto conceitual de produtos e serviços em geral.

O desenvolvimento de métodos para monitoramento da saúde de componentes aeronáuticos mostra-se desafiador por tratar de equipamentos expostos a variadas condições de operação e com limitado número de dados históricos de sensores para componentes com falha. A utilização de técnicas de análise multivariada envolvendo variáveis sensíveis a falhas e condições de operação mostra-se um alternativa para tratar estes problemas. A literatura apresenta alguns métodos para esta finalidade, como as estatística T2 de Hotelling e U2 de Runger sendo o segundo método vantajoso pois realiza o monitoramento através da coleta de variáveis sensíveis a falha e condições de operação, concentrando a análise nas variáveis sensíveis a falha, denominadas variáveis de interesse. A utilização de tais métodos tem com premissa a distribuição gaussiana dos dados. Para dados não gaussianos a literatura apresenta métodos baseados em técnicas de não paramétricas, porém sem possibilitar a seleção de variáveis de interesse. O trabalho desenvolvido apresenta um método de monitoramento da saúde de componentes para dados não gaussianos com a possibilidade de seleção de variáveis de interesse. O método foi testado utilizando um modelo dinâmico de uma turbina a gás e um modelo dinâmico de um sistema de atuação.

This dissertation presents a method for space system mission analysis. It is based on a new systems engineering approach namely "Enhanced Total View Framework (ETVF)", which seeks the concurrent development of the product and organizations involved. ETVF is also described in this dissertation and as the name suggests it is an enhancement of the "Total View Framework". The proposed method for space system mission analysis is called "Total Mission Analysis for Space System (TMASS)". It takes into account all space system life cycle, from the time the space system is qualified for use or operation to the time it is decommissioned or disposed of. Indeed, TMASS encompasses all the high-level procedures before, during and after the space system launching and operational phases. It includes space system non-operational and operational processes, comprising the development of the whole system where the space system is inserted. TMASS is applied to the Mission Analysis of the SARA Suborbital System. The results obtained by using the traditional approach are briefly compared with the results obtained by using the proposed method. TMASS is supposed to be applied in the earlier phase of a space system development. In addition, ETVF and TMASS intents are also to revive the logic behind the systems engineering activity which with time has become only a formality.

Sistemas espaciais geralmente possuem custos de pesquisa e desenvolvimento excepcionalmente elevados em comparação aos custos de produção e operação, principalmente devido ao baixo volume de produção e ao ciclo de projeto extenso e com vários ensaios. Nesta categoria se incluem as cargas úteis para veículos de sondagem. Uma alternativa para diminuir esses custos é utilizar equipamentos comuns para realizar mais de uma função, ao invés de equipamentos especializados. Equipamentos multifunção são especificados através da análise de comunalidade do sistema, que pode ser estendida para abranger diferentes missões do veículo. A comunalidade reduz esforços de P&D, mas resulta em perda de desempenho e excesso de funcionalidade. Neste trabalho, é proposto um método para auxiliar o projetista do sistema na escolha da melhor solução de compromisso entre esses dois aspectos. É apresentado um modelo matemático para descrever o problema dos equipamentos multimissão e multifunção que pode ser adaptado ao nível de detalhamento desejado para análise. O problema foi modelado de forma a não ser necessário atribuir pesos relativos entre os objetivos conflitantes, representados por aspectos monetários e técnicos. Restrições são incluídas no modelo para melhor representar os problemas reais, que dificilmente são irrestritos. Para otimizar os objetivos do modelo, é utilizado um algoritmo genético multiobjetivo com restrições. Ele é aplicado a problemas exemplo, com diferentes níveis de detalhamento. O algoritmo é capaz de encontrar a frente de Pareto com as soluções não dominadas, fornecendo ao projetista um conjunto de alternativas de projeto. Cabe a ele a decisão final sobre qual solução utilizar, baseado em informações de alto nível, muitas vezes advindas da experiência e difíceis de serem modeladas.

Manutenção não planejada de sistemas aeronáuticos é geralmente associada com altos custos. Parte desses custos poderia ser evitada com a adoção de programas de prognóstico de sistemas. O objetivo desses programas é avaliar o estado atual de saúde de um componente baseado nos dados disponíveis (como dados de voo e de manutenção) e estimar o desempenho futuro do componente. Diversos algoritmos podem ser utilizados para esse propósito. Este trabalho propõe um método baseado em um algoritmo de classificação Support Vector Machine (SVM), que classifica um componente aeronáutico entre SAUDÁVEL e DEGRADADO. O algoritmo SVM de classificação consiste em uma máquina de aprendizado supervisionado, treinada a partir de dados de voo e registros de manutenção. Depois de treinado, o classificador SVM é aplicado a qualquer novo voo. Do resultado das classificações, um índice de degradação é gerado, de tal forma que seja fácil identificar o estado de saúde do item aeronáutico. Como estudo de caso, o método é aplicado para estimar falhas de válvulas de sangria pneumática de motores. Dados reais de voo (quatro parâmetros relacionados ao sistema de sangria) e registros de manutenção (datas das substituições do componente) foram usados para gerar os conjuntos de dados de treinamento e generalização. Os resultados mostram ser possível identificar quando o componente está próximo de falhar e deve ser substituído. Uma vantagem do método proposto é não requerer conhecimento sobre os modos de falha do componente.

Software industry is currently moving towards automation of business processes and applications increasing architectural complexity and the dynamics of requirements change. This work proposes a novel software development process, called SPAREv that includes all todays critical innovations on four areas: Model-Driven Development (MDD); Systematic Reuse; Development by assembly; and Process frameworks. SPAREv employs for: (1) Safe architectural reuse - intent specifications and a customized domain-specific pattern-based software framework; (2) Project variability - metaprogramming and Software Product- Line Engineering (SPLE); and (3) Adaptability - round-tripping and software automation by adopting MDD. A case study on satellite on-board software considers an architectural pattern or framework where project specificities are added as plug-ins, e.g. different control algorithms. Software dependability in this domain is discussed and a novel concept of Pattern-Based Software Fault Tree Analysis (PB-SFTA) presented. Finally, impact is inferred via reuse metrics, e.g. Return on Investment (ROI), and Cost/Benefit analysis. Trends and perspectives are presented highlighting assets and knowledge management, and a Reuse Maturity Model. In order of relevance, the author considers that the three major contributions of this work are: (1) The SPAREv process; (2) The PB-SFTA approach; and (3) The application of metaprogramming into the space software domain.

Poorly written requirements are a common source of software defects. In application areas like space systems, the cost of malfunctioning software can be very high. This way, assessing the quality of software requirements before coding is of utmost importance. This work proposes a systematic procedure for assessing software requirements for space systems that adopt the European Cooperation for Space Standardization (ECSS) standards. The main goal is to provide a low-cost, easy-to-use benchmarking procedure that can be applied during the software requirements review to guarantee that the requirements specifications comply with the ECSS standards, as well as they do not have any one of the most frequent errors on this kind of document. The benchmark includes three checklists that are composed of a set of questions to be applied to the requirements specification: the first is based directly on the ECSS Packet Utilization Standard (PUS), the second one is based on the Conformance and Fault Injection (CoFI) methodology, and the last one is based on a field study about the most common real errors found in software requirements specification of space applications. The goal of the field study is to understand and characterize the most frequent types of requirement problems in this critical application domain. The results of the study are also used to propose a set of operators that define how to inject realistic errors in requirement documents. The benchmark is applied to software requirements specifications of three projects (one academic project and two industrial space projects) for two of the services described in the PUS by seven specialists. The obtained results were compared and discussed.

Como reflexo do aumento do grau de complexidade nos softwares e das exigências cada vez maiores impostas pela área espacial, a busca de processos que venham organizar e melhorar o desenvolvimento de software tem aumentado nos últimos anos. Muitas organizações implantam processos sem existir um objetivo estratégico bem definido. É cada vez maior a adoção a ferramentas de gestão estratégica como o Balanced Scorecard (BSC), que proporciona a organização transformar sua estratégia em ação, por meio de objetivos, indicadores de desempenho e uma aplicação integradora se tornando uma ferramenta essencial para a organização transmitir sua missão e estratégia em objetivos tangíveis e mensuráveis. É com este princípio que o presente trabalho tem como objetivo desenvolver o Balanced Scorecard e o seu respectivo mapa estratégico na área de software espacial, focando principalmente as áreas que dizem respeito à garantia da qualidade, utilizando-se os processos do Modelo de Capacidade e Maturidade Integrado (CMMI) que atualmente é um dos modelos de processos mais utilizados pela comunidade de software mundial em conformidade com as normas da European Space Agency (ESA) E-40 e Q-80 referentes a software espacial.

Os produtos empregados no setor espacial caracterizam-se por seu elevado grau de complexidade. Como tal, os projetos destinados ao seu desenvolvimento devem possuir mecanismos que elevem sua probabilidade de sucesso e atuem de forma coordenada para que sejam superadas as dificuldades impostas por esta complexidade. Um destes mecanismos consiste no processo de avaliação. Seu objetivo, dentro deste contexto, é atestar que o sistema desenvolvido atende, através de suas especificações, a todos os requisitos a ele impostos. Na conjuntura atual, a autonomia na capacidade de executar operações no espaço, em especial na inserção de satélites em órbita, torna-se fundamental para o desenvolvimento de um programa na área. Com a intenção de contribuir para que esta meta possa ser alcançada por um programa espacial nacional, propõe-se, neste trabalho, um modelo de processo para a avaliação de produtos espaciais aplicado durante seu desenvolvimento. Com este propósito busca-se, a partir de outros programas espaciais de sucesso, extrair as melhores práticas existentes na área e aplicá-las na elaboração desta proposta. Utiliza-se como base, também, os princípios e conceitos existentes na engenharia de sistemas e de gestão de requisitos que possam colaborar para sua estruturação. No modelo proposto aplica-se a lógica e a abordagem presentes no diagrama V de representação do ciclo de vida do desenvolvimento de um produto, que enfatiza ao longo de suas etapas a verificação e validação do sistema. A ele agregam-se os valores existentes nos níveis, métodos e estágios de verificação que direcionam as atividades em cada uma das etapas do processo paralelamente às fases do projeto. Com o modelo então estruturado, executam-se, visando demonstrar sua aplicabilidade, análises a partir de tópicos retirados de um caso real de insucesso ocorrido no segmento de veículos lançadores. Após estas análises, então, verifica-se que a aplicação simultânea dos níveis, métodos e estágios de verificação, agregados ao modelo de ciclo de vida adotado, permitem uma boa organização do processo, tornando-o consistente. Ainda, devido a sua estrutura, pode-se relacionar diretamente neste processo, o que é planejado e posteriormente executado, tornando-o otimizado. Assim, este modelo pode servir como base para a implantação de um sistema de avaliação de produtos por algum dos stakeholders neste segmento, conferindo aos sistemas dos quais participem ou influam no desenvolvimento maior segurança e confiabilidade em suas operações.