Modeling and simulation of satellites: development of virtual platforms and digital twins for cybersecurity applications and user training

In recent years, the rapid increase in satellite launches and the deployment of large constellations have made cybersecurity a growing and urgent challenge for the space sector. Space assets are increasingly exposed to cyber threats, and satellites are among the most critical targets. A successful intrusion can propagate well beyond the orbital platform itself, disrupting essential services on Earth such as communications, navigation, transportation, and timing. Moreover, a cyber attack on a satellite can compromise years of design, integration, testing, and launch effort, potentially causing the loss of mission objectives and the destruction of assets that require very high financial investment. In this context, cybersecurity is no longer only an information-technology concern: it is a system-engineering problem that directly affects mission continuity, operational safety, and societal resilience. This dissertation addresses this challenge by proposing a modeling-and-simulation-driven framework for the cyber defense of aerospace systems. The work starts from the observation that modern satellite systems are hybrid and multiphysics platforms in which sensors, actuators, embedded software, and physical subsystems interact continuously. To represent this complexity in a modular and reusable manner, the dissertation adopts the Modelica language and the acausal formulation, which is well suited to system-level multiphysics integration. The proposed methodology combines acausal physical modeling of the plant with causal blocks for control, monitoring, and environmental interaction, and extends interoperability through the Functional Mock-up Interface (FMI) to connect external tools such as Simulink and Python. On this basis, a digital-twin-centered cyber defense architecture is developed. The digital twin is treated as a protected, continuously updated virtual counterpart of the real system, capable of reproducing nominal behavior and detecting anomalies through discrepancies with operational telemetry. Estimation and calibration methods, including the Unscented Kalman Filter and Physics-Informed Neural Networks, are investigated to update states and physical parameters online and improve the fidelity of the virtual platform over the mission life cycle. The core contribution of the dissertation is the introduction of a protected digital twin layer as an active monitoring and recovery mechanism. When telemetry spoofing or false-data-injection attacks are detected, the digital twin supports the activation of a cyber defense mode that prevents unsafe configurations and guides the system toward safe operating conditions. Simulation results on representative space cyber-physical applications show that this approach can mitigate damage escalation, preserve mission functionality, and reduce the risk of losing high-value space assets, thereby providing a practical path toward more resilient next-generation aerospace systems.

Negli ultimi anni, il rapido aumento del numero di satelliti lanciati e la diffusione di grandi costellazioni hanno reso la cybersecurity una sfida crescente e urgente per il settore spaziale. Gli asset spaziali sono sempre più esposti a minacce cyber, e i satelliti rappresentano tra i bersagli più critici. Un'intrusione riuscita può propagare i propri effetti ben oltre la piattaforma orbitale, compromettendo servizi essenziali a Terra, quali comunicazioni, navigazione, trasporti e sincronizzazione temporale. Inoltre, un attacco informatico a un satellite può compromettere anni di progettazione, integrazione, test e lancio, con la possibile perdita degli obiettivi di missione e di asset che richiedono investimenti economici molto elevati. In questo contesto, la cybersecurity non è più soltanto una tematica legata all'information technology, ma diventa un problema di ingegneria dei sistemi che incide direttamente sulla continuità della missione, sulla sicurezza operativa e sulla resilienza della società. Questa tesi affronta tale problematica proponendo un framework basato su modellazione e simulazione per la cyber difesa di sistemi aerospaziali. Il lavoro parte dall'osservazione che i moderni sistemi satellitari sono piattaforme ibride e multifisiche, nelle quali sensori, attuatori, software embedded e sottosistemi fisici interagiscono in modo continuo. Per rappresentare tale complessità in modo modulare e riutilizzabile, la tesi adotta il linguaggio Modelica e la formulazione acausale, particolarmente adatta all'integrazione multifisica a livello di sistema. La metodologia proposta combina la modellazione fisica acausale del plant con blocchi causali per controllo, monitoraggio e interazione con l'ambiente, ed estende l'interoperabilità tramite la Functional Mock-up Interface (FMI) per connettere strumenti esterni quali Simulink e Python. Su queste basi, viene sviluppata un'architettura di cyber difesa centrata sul digital twin. Il gemello digitale è trattato come una controparte virtuale protetta e continuamente aggiornata del sistema reale, capace di riprodurre il comportamento nominale e di rilevare anomalie tramite discrepanze rispetto alla telemetria operativa. Metodi di stima e calibrazione, tra cui l'Unscented Kalman Filter e le Physics-Informed Neural Networks, sono studiati per aggiornare online stati e parametri fisici e migliorare la fedeltà della piattaforma virtuale lungo l'intero ciclo di vita della missione. Il contributo principale della tesi consiste nell'introduzione di un livello protetto di digital twin come meccanismo attivo di monitoraggio e recovery. Quando vengono rilevati attacchi di telemetry spoofing o false-data injection, il digital twin supporta l'attivazione di una modalità di cyber difesa che impedisce configurazioni non sicure e guida il sistema verso condizioni operative sicure. I risultati di simulazione, ottenuti su applicazioni rappresentative di sistemi cyber-fisici spaziali, mostrano che questo approccio può mitigare l'escalation del danno, preservare la funzionalità di missione e ridurre il rischio di perdita di asset spaziali ad alto valore, fornendo così un percorso pratico verso sistemi aerospaziali di nuova generazione più resilienti.