Il programma COSMO-SkyMed: descrizione della missione e del sistema e primi risultati

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1 Il programma COSMO-SkyMed: descrizione della missione e del sistema e primi risultati Alessandro Coletta 1, Giovanni Valentini 1, Arnaldo Capuzi 1, Francesco Caltagirone 1, Maurizio De Carlo 2, Giuseppe De Luca 1, Fabrizio Battazza 1 e Fabio Covello 1 1 Agenzia Spaziale Italiana - ASI, viale Liegi, Roma, Italia. alessandro.coletta@asi.it 2 Ministero della Difesa, via XX Settembre 123a Roma, Italia Abstract In this paper an overview of the COSMO-SkyMed program is provided. COSMO-SkyMed is a project in cooperation between the Italian Space Agency (ASI) and the Italian Defence Ministry (MD) and it is the first satellite constellation devoted to the Earth s observation for both civil and military purposes. Here the main characteristics of the satellite and of the X-band radar are given and the first interesting images collected during the commissioning phase are described. Keywords: COSMO-SkyMed, X-band, satellite constellation Riassunto In questo articolo viene fornita una panoramica del progetto COSMO-SkyMed. Questo progetto scaturisce da una cooperazione fra l Agenzia Spaziale Italiana (ASI) e il Ministero della Difesa (MD) ed è la prima costellazione satellitare dedicata all osservazione della terra sia per scopi civili che militari. Sono qui riportate le principali caratteristiche del satellite e del radar in banda X, insieme con le prime immagini acquisite durante la commissioning phase. Parole chiave: COSMO-SkyMed, radar banda X, costellazione satellitare Introduzione COSMO-SkyMed è la prima costellazione duale di satelliti per l osservazione della terra ed è il più grande investimento italiano mai effettuato per lo sviluppo di sistemi per fini analoghi. É stato concepito, finanziato e realizzato dall Agenzia Spaziale Italiana (ASI) e dal Ministero della Difesa (MD). COSMO-SkyMed è un sistema end-to-end focalizzato su attività di remote sensing e su applicazioni di uso duale (civile e militare). ASI in cooperazione con MD gestisce il contratto di realizzazione assegnato ad un team di industrie italiane che hanno il compito di sviluppare il sistema. Thales Alenia Space Italia (TAS-I) ne è il Prime Contractor. Brevi cenni sulla Missione La Missione è stata concepita per realizzare una copertura radar globale in tutte le condizioni atmosferiche, di giorno e di notte, ampio numero di immagini acquisite, alta risoluzione, alta accuratezza delle immagini (geolocazione, radiometria etc), qualità superiore delle immagini, strettissimi tempi di rivisita e di risposta, capacità iterferometriche e polarimetriche, veloce e semplice ordinazione dei dati e dei prodotti e consegna agli utenti. 5

2 Coletta et al. Il programma Cosmo-Skymed: descrizione della missione e del sistema e primi risultati COSMO-SkyMed, a costellazione completamente dispiegata (4 satelliti), sarà in grado di raccogliere fino a 1800 immagini al giorno dallo spazio e il segmento di terra sarà in grado di archiviare fino a 560 prodotti e di processare fino a 200 prodotti civili di livello 1C/1D al giorno (ulteriormente accrescibili con processori aggiuntivi). Durante la fase di definizione sono stati individuate tre modalità operative: Routine, Crisis e Very Urgent. Queste consentono di soddisfare necessità differenti in termini di latenza di programmazione (tempo tra due richieste consecutivamente pianificate e inviate alla costellazione): -modalità Routine: una volta al giorno. Il piano potrà essere soddisfatto entro 72 ore; -modalità Crisis: due volte al giorno. Il piano potrà essere soddisfatto entro 36 ore; -modalità Very Urgent: asincrono, consentendo una richiesta di acquisizione col minimo tempo di latenza possibile. Il piano sarà soddisfatto entro 18 ore. Le seguenti quattro definizioni si applicano alle performance temporali: - tempo di reazione: tempo tra l accettazione della richiesta utente e il deposito all User Ground Segment (UGS) fino all acquisizione dell immagine SAR; - information age: dall acquisizione dell immagine SAR fino alla disponibilità del prodotto presso l UGS; - tempo di risposta: somma di tempo di reazione e information age; - tempo di rivisita: periodo tra due acquisizioni sullo stesso target. Il tempo per la consegna non è considerato nel tempo di risposta. Le seguenti tabelle (Tab. 1, Tab. 2) riportano i valori del tempo di rivisita e del tempo di reazione scalati da 1 a 4 satelliti in orbita, nei casi medi e worst case. Questi valori si riferiscono al modo operativo Routine (nominale). Nel caso operativo, i tempi potranno dipendere dalle coordinate del sito, dal segmento di terra al momento attivo, dalla configurazione della costellazione, dalla modalità operativa etc. Il segmento spaziale In configurazione nominale, i satelliti sono equifasati e nello stesso piano orbitale, come descritto nella seguente figura (Fig. 1): La configurazione orbitale nominale è concepita per garantire un accesso in qualsiasi regione del globo in poche ore, con almeno due opportunità di accesso in un giorno a differenti angoli di incidenza. Figura 1 - Costellazione COSMO-SkyMed in configurazione nominale. 6

3 Tabella 1 - Performance temporali della costellazione CSK - Worst Case. 1 satellite 2 satelliti 3 satelliti Costellazione completa Response Time 110 h 90 h 85 h 72 h Revisit time 62 h 37 h 35.5 h 12 h Tabella 2 - Performance temporali della costellazione CSK - Tempi medi. 1 satellite 2 satelliti 3 satelliti Costellazione completa Response Time 43 h 40 h 38 h 37.5 h Revisit time 9 h 5 h 3 h 2 h Figura 2 - Configurazione tandem interferometrica con differenti piani orbitali. Quando la costellazione è in configurazione interferometrica, il sistema è in grado di produrre immagini SAR tridimensionali, combinando due misure radar dello stesso punto a terra in condizioni interferometriche. La Figura 2 mostra la configurazione Tandem interferometrica, con due satelliti cooperanti posizionati in piani orbitali differenti, separati di 20 secondi. Ciò corrisponde a una distanza di 151 Km tra i due satelliti. La seguente figura (Fig. 3) mostra il satellite COSMO-SkyMed in condizioni stowed, quando cioè viene montato sul lanciatore, ed in configurazione totalmente dispiegata. L architettura della piattaforma prevede una serie di sottosistemi, necessari per il controllo di tutti i sottosistemi di bordo, per la raccolta e distribuzione delle informazioni e per la supervisione dei sottosistemi della piattaforma e dell antenna SAR, la ricezione e decrittazione dei telecomandi ricevuti da terra, per le manovre d assetto e orbitali e per la trasmissione a terra delle immagini. 7

4 Coletta et al. Il programma Cosmo-Skymed: descrizione della missione e del sistema e primi risultati Figura 3 - Satellite COSMO-SkyMed (configurazioni stowed e dispiegata). L antenna SAR è un radar in banda X, operante in differenti risoluzioni (da 3 a 100 m), multi-polarizzazione su una larga regione di accesso. È equipaggiata con una antenna fissa, aventi capacità di scanning elettronico e può gestire un vasto numero di modi operativi per l acquisizione delle immagini ma anche per calibrazioni interne. Le seguenti sono le modalità usate per l acquisizione delle immagini (Fig. 4): - SPOTLIGHT, che consente di catturare immagini con estensione spot; - STRIPMAP (H-IMAGE e PING-PONG), a media risoluzione e una larga area illuminata dallo strumento; - SCANSAR (WIDE e HUGE REGION), immagini con un ampia estensione e una risoluzione spaziale inferiore. La modalità di acquisizione nominale è quella Right Looking, ma è possibile anche la Left Looking, che può essere effettuata attraverso una manovra di assetto. Gli angoli di incidenza variano tra 25 e 50. La modalità estesa va da 20 a 25 e da 50 a 59. L area di accesso in modalità estesa può arrivare a 630 km. Figura 4 - Capacità di acquisizione Multi-Modale. 8

5 Il Common Ground Segment (CGS) Il sistema COSMO-SkyMed è duale, pertanto le applicazioni sono volte sia ad utenti civili che militari, assicurando nel contempo la confidenzialità dei dati e l integrità in ogni situazione operativa. I principi di un sistema duale sono ottenuti mediante una architettura sostanzialmente simmetrica, implementata attraverso: - duplicazione degli elementi del Ground Segment, per soddisfare separatamente utenti civili e militari; - centri duali, dove le informazioni sono mescolate e trattate insieme, protette adeguatamente in termini di sicurezza. Le principali componenti del Ground Segment sono le seguenti: - Centro Pianificazione e Controllo Missione (CPCM), in carico di coordinare le attività a bordo e a terra attraverso attività di pianificazione delle acquisizioni, allocare le risorse e risolvere conflitti nelle richieste di acquisizione; - Core Ground Segment (CGS), composto dal Centro di Controllo Satellite (CCS) e dal sistema di Dinamica del Volo (FDS) e dalle stazioni TT&C; - Lo User Ground Segment (UGS) dedicato alla gestione delle richieste degli utenti, ad acquisire, archiviare, processare e consegnare i dati ricevuti dai satelliti della costellazione; - Network di Comunicazioni; - La rete fiduciale GPS: un servizio a supporto del sistema per fornire le effemeridi dei GPS e tutti i dati necessari per migliorare la precisione nella geolocalizzazione dei prodotti. Per finire, l Integrated Logistics and Operations Segment (ILS&OPS), raccoglie tutte le necessarie risorse per le operazioni e la logistica e i servizi richiesti per operare il segmento spaziale. Lancio, commissioning e qualifica operativa del primo satellite Il primo satellite è stato lanciato il 7 giugno del Il lancio è stato un successo in quanto il lanciatore ha portato in orbita il satellite con ottime prestazioni. La fase di commissioning è iniziata subito dopo la fase di Launch and Early Orbit Phase (LEOP). Durante il commissiong sia il satellite che il segmento di terra hanno mostrato buone prestazioni. Attualmente il satellite è entrato in fase di Qualifica Operativa, nella quale le sue capacità vengono esercitate per verificare che le prestazioni siano stabili. Contemporaneamente in questa fase ha inizio la raccolta di immagini di interesse per gli utenti finali, pertanto vengono effettuate le prime riprese sulle aree di interesse degli utenti civili e militari e si dà a tutti gli effetti il via alla utilizzazione del sistema. Dal momento in cui il sistema sarà operativo, oltre alle attività di utilizzo da parte degli utenti finali, avrà inizio anche la collezione di dati nell ambito della Background Mission. Questo consentirà di riempire il catalogo delle immagini e di poter soddisfare future esigenze degli utenti. Le linee guida per la costruzione di una Background Mission sono gli obiettivi di missione, che per COSMO-SkyMed riguardano principalmente applicazioni di gestione dei rischi (categoria principale), cartografia, agricoltura, monitoraggio foreste, idrologia, geologia, monitoraggio coste e mari, archeologia. Per costruire questa missione di background sono stati raccolti input dalla comunità scientifica, dagli utenti istituzionali e dagli utenti commerciali. Prime immagini Durante la fase di commissioning il primo satellite della costellazione ha dato inizio alla ripresa di centinaia di immagini in tutto il globo, mostrando le piene potenzialità del sistema. È stato possibile osservare zone di particolare interesse e sono state raccolte diverse 9

6 Coletta et al. Il programma Cosmo-Skymed: descrizione della missione e del sistema e primi risultati Figura 5 - Cratere del vulcano Etna. immagini lungo le zone costiere, dove sono stati osservati diversi fenomeni interessanti dal punto di vista applicativo: l uso degli spazi terrestri e marini da parte dell uomo, l inquinamento dovuto a spargimenti di petrolio nelle acque, il traffico marittimo, le coltivazioni sottomarine, la struttura delle correnti e delle onde, il monitoraggio dei ghiacci etc. Una delle prime immagini in modalità Spotlight è stata ripresa sull Etna ed è mostrata qui di seguito (Fig. 5). Di seguito altre interessanti immagini raccolte durante il commissioning (Fig. 6, Fig. 7, Fig. 8, Fig. 9, Fig. 10 e Fig. 11). Campagna di lancio del secondo satellite Il secondo satellite è stato lanciato con successo il 9 dicembre 2007, come previsto. Le performance del lanciatore sono state ottimali, avendo piazzato il satellite in una posizione ottimale per le successive fasi di rifasamento col primo satellite. FM#2 ha iniziato la Figura 6 - Delta del fiume Po. Figura 7 - Rio Grande De Buba, Guinea Bissau. 10

7 Figura 8 - Miniera di rame a Chiquicamata, Cile. Figura 9 - Richat, Mauritania. Figura 10 - Fenomeno di inquinamento nelle acque di Kerch (Mar Nero), Ucraina. Figura 11 - Fenomeno di inquinamento nelle acque di Kerch (Mar Nero), Ucraina. Ingrandimento sulla zona colpita. fase di commissioning dopo la fase LEOP, che è durata meno di una settimana. Dopo la fase LEOP di FM#2, entrambi i satelliti sono ora gestiti dallo stesso centro operativo. È stata pianificata ed effettuata una serie di manovre per rifasare i satelliti per soddisfare i requisiti relativi all orbita. Queste attività, condotte per la prima volta per una missione italiana, mostrano le grandi potenzialità del sistema COSMO-SkyMed di operare una costellazione. Attività future e prossimi lanci Dopo aver completato le attività di commissioning, il sistema con il primo satellite è ora in qualifica operativa. Grazie all esperienza sul primo satellite, si prevede che il commissioning del secondo satellite durerà meno del primo. 11

8 Coletta et al. Il programma Cosmo-Skymed: descrizione della missione e del sistema e primi risultati A partire da metà 2008 i due satelliti lavoreranno in modo congiunto. Il terzo satellite è ora in fase AIV e sarà lanciato a metà Le attività relative al quarto satellite procedono come pianificato e la costellazione intera sarà pienamente operativa da fine Sfruttamento della missione: Announcement of Opportunity Nel maggio 2007 (un mese prima del lancio del primo satellite) è stato pubblicato un Announcement of Opportunity attraverso le pagine web dell Agenzia Spaziale Italiana, per stimolare l utilizzo dei dati per la ricerca scientifica e per sviluppo di applicazioni di Osservazioni della Terra, usando i prodotti della missione duale per: - sviluppo di applicazioni scientifiche; - sviluppo e validazione di algoritmi per la creazione di prodotti geofisici di secondo livello; - dimostrazione delle capacità di COSMO-SkyMed nell ambito di aree tematiche quali centri di servizio per Global Monitoring for Environment and Security (GMES) e il programma Group on Earth Observation (GEO); - nuove idee per lo sfruttamento della missione. Il prossimo Announcement of Opportunity sarà pubblicato nel Le opportunità di ricerca saranno maggiori in quanto il bando sarà pubblicato in modo tale che le attività di ricerca possano usufruire delle performance della costellazione completa. Statistiche sul primo Announcement of Opportunity Il primo Announcement of Opportunity è stato un successo. L ASI ha ricevuto un ampio numero di proposte per progetti di ricerca, che coprono un vasto spettro di applicazioni. Come previsto, la comunità scientifica italiana ha riposto in modo massiccio, ma buono è Figura 12 - Aree di osservazione richieste. 12

9 stato anche l interesse di altre nazioni in tutto il mondo, con una predominanza di Francia, Corea, Argentina, Germania e Stati Uniti. Figura 13 - Tematiche di ricerca. La copertura data dalle immagini richieste è praticamente globale, con una predominanza sull Europa e sull Italia in particolare. Le proposte di ricerca spaziano in tutte le aree tematiche previste dal bando (Fig. 13). Un forte interesse si nota per applicazioni sull uso del territorio, sullo studio degli oceani e dei ghiacci e su fenomeni di smottamento. Manoscritto ricevuto il 21/03/2008, accettato il 30/04/