A Methodology for Concurrent Engineering of Ground Segment and Operations towards Model-Based Digital Continuity

This dissertation develops a methodology for integrating Ground Segment and Operations (GS&OPS) perspectives into early-phase Concurrent Engineering (CE) for space mission design. Although CE has become an established practice in early-phase space mission design, the focus has remained on the space segment. Across many Concurrent Engineering Centres (CECs), GS&OPS aspects are either not represented at all or, as in the case of the European Space Agency (ESA), are covered by a single dedicated expert. In some organisations they are considered only in later design phases. This limits the early identification of operational drivers and weakens digital continuity across the mission lifecycle. Building on Model-Based Systems Engineering (MBSE) and Design Science Research (DSR) principles, the work formulates and validates a set of eight methodological elements that strengthen the representation, visibility and cross-domain integration of GS&OPS topics within CE activities. These elements address organisational, procedural and digital aspects of early-phase mission design, including a consolidated GS&OPS architecture, defined Domains of Expertise (DoE), interaction guidelines for space–ground collaboration, adaptable CDP4-COMET templates and artefact-based enablers for MBSE integration and data continuity. The framework is designed to be generally applicable across different CECs and is not limited to a specific institution. Its potential applicability is illustrated through examples from ESA's Concurrent Design Facility (CDF), including dual-centre collaboration between the European Space Research and Technology Centre (ESTEC) and the European Space Operations Centre (ESOC). The empirical grounding draws on interviews with international CECs, observation studies, a survey among CE professionals, two pilot studies at the Concurrent Engineering Lab (CEL) and two ESA-related case studies. Validation followed an iterative conjecture-testing logic, confirming the approach's feasibility and its potential to enhance process integration, digital continuity and stakeholder alignment. The study concludes that systematic GS&OPS integration strengthens the consistency and traceability of early mission design. Instead of adding procedural complexity, the methodology enhances coherence between space and ground segments and promotes a life-cycle-oriented approach to mission design, thereby supporting ESA's long-term vision of a unified MBSE approach.

Diese Dissertation entwickelt eine Methodik zur Integration des Boden- und Missionsbetriebs in die frühe Phase des Concurrent Engineering (CE) für das Missionsdesign von Raumfahrtprojekten. Obwohl CE mittlerweile als etablierte Praxis in der Raumfahrtsystementwicklung gilt, lag der Schwerpunkt bisher überwiegend auf dem Raumsegment. In vielen Concurrent Engineering Zentren (CECs) werden Aspekte des Boden- und Missionsbetriebs entweder gar nicht abgebildet oder, wie im Fall der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), durch eine einzelne Fachperson vertreten. In anderen Fällen werden sie erst in späteren Phasen berücksichtigt. Dadurch wird die frühzeitige Identifikation betrieblicher Einflussfaktoren eingeschränkt und die digitale Kontinuität über den Missionslebenszyklus hinweg geschwächt. Aufbauend auf den Prinzipien des Model-Based Systems Engineering (modellbasierte Systementwicklung, MBSE) und der Design Science Research (gestaltungsorientierte Forschung, DSR) entwickelt und validiert die Arbeit einen Satz von acht methodischen Elementen, die die Repräsentation, Sichtbarkeit und domänenübergreifende Integration von Aspekten des Boden- und Missionsbetriebs (GS&OPS) in CE-Aktivitäten stärken. Diese Elemente adressieren organisatorische, prozessuale und digitale Integrationsaspekte der frühen Missionsphase und umfassen eine konsolidierte GS&OPS-Systemarchitektur, definierte Fachdomänen (DoEs), Leitlinien für die Zusammenarbeit zwischen Raum- und Bodensegment, anpassbare CDP4-COMET-Vorlagen zur Abbildung der CE-Prozesslogik sowie artefaktbasierte Schnittstellen zur MBSE-Integration und Sicherstellung der Datenkontinuität. Der entwickelte Rahmen ist grundsätzlich auf unterschiedliche CECs übertragbar und nicht auf eine einzelne Institution beschränkt. Seine potenzielle Anwendbarkeit wird anhand von Beispielen aus ESAs Concurrent Design Facility (CDF) verdeutlicht, einschließlich der dualen Zusammenarbeit zwischen dem Europäischen Weltraumforschungs- und Technologiezentrum (ESTEC) und dem Europäischen Raumflugkontrollzentrum (ESOC). Die empirische Grundlage umfasst Interviews mit internationalen CECs, Beobachtungsstudien, eine Umfrage unter CE-Fachleuten, zwei Pilotstudien im Concurrent Engineering Lab (CEL) sowie zwei ESA-bezogene Fallstudien. Die Validierung folgte einer iterativen, hypothesenprüfenden Logik und bestätigte die Machbarkeit des Ansatzes sowie dessen Potenzial zur Verbesserung der Prozessintegration, digitalen Kontinuität und Stakeholder-Ausrichtung. Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass eine systematische Integration des Boden- und Missionsbetriebs die Konsistenz und Nachvollziehbarkeit des frühen Missionsentwurfs stärkt. Anstatt zusätzliche Prozesskomplexität zu erzeugen, fördert die Methodik die Kohärenz zwischen Raum- und Bodensegment und unterstützt eine lebenszyklusorientierte Systemgestaltung im Sinne der langfristigen Vision der ESA einer integrierten, modellbasierten Ingenieurmethodik.