Costellazioni di piccoli satelliti ottici e radar per l'individuazione e caratterizzazione di detriti spaziali in orbita LEO

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1 Costellazioni di piccoli satelliti ottici e radar per l'individuazione e caratterizzazione di detriti spaziali in orbita LEO Conferenza CESMA 2014 Roma, 9 Ottobre DOC-TAS-EN-003 Speaker: Andrea Pietropaolo

2 Space Debris : Introduzione (1/2) Il termine Space Debris identifica tutti gli oggetti artificiali orbitanti attorno alla Terra non più operativi. 2 In questa definizione ricadono gli stadi dei razzi, frammenti di satelliti, scaglie di vernici, polveri, materiale espulso dai motori dei razzi, ed qualunque altro frammento derivante da disintegrazione, erosione e collisione. Space debris è riferito agli oggetti di ogni dimensione, millimetrica centimetrica e più grandi

3 Space Debris : Introduzione (2/2) Lo Space Debris è a tutti gli effetti una minaccia per i satelliti operativi. 3 Le collisioni con oggetti anche di masse e dimensioni molto piccole hanno impatto significativo sulla durata della vita della missione; collisioni con oggetti più grandi comportano il rischio di totale distruzione del satellite. Rilevatori radar e ottici sono i principali sensori per applicazioni di detection e tracking dei detriti spaziali.

4 Monitoraggio Space Debris : lessons learned su CSK e Sentinel-1 Allarmi di collisione su CSK: un fenomeno in crescita L analisi storica sulle manovre di collision avoidance per CSK fornisce le seguenti indicazioni: 2010 (3 satelliti CSK in operazione): 6 possibili eventi con soglie di alerting relative a distanza radiale 1 Km e probabilità > (4 satelliti CSK in operazione): 16 possibili eventi e 8 manovre La frequenza del fenomeno è più che raddoppiata e il trend prosegue. Allarmi di collisione su Sentinel-1A Poche ore dopo la separazione dal lanciatore, critical conjunctions con ACRIMSAT sono state predette per la mattina del 5 Aprile Le operazioni di switch-on e la transizione a Nominal Mode sono state accelerate per eseguire la manovra (effettuata con successo il 5 Aprile 05:14 UTC Una seconda manovra eseguita il 15 Maggio per vicinanza col satellite Daichi/ALOS and un altro evento potenziale stimato il 17 Maggio Satellite Collision 4 Altri due collision warnings il 22 Maggio e il 18 Giugno hanno impattato i piani di manovre di orbit raising Distruzione di Fengyun-1C Collisione tra Iridium 33 and Kosmos-2251 Una quinta operazione di collision avoidance eseguita il 26 Giugno

5 Monitoraggio Space Debris: USA La US Space Surveillance Network (SNN) E una rete a diffusione mondiale di telescopi ottici e radio con differenti caratteristiche e prestazioni 5 E operata dalle Forze Armate Statunitensi Si basa sull utilizzo di tre tipologie di sensori: Radar convenzionali Radar phased-array Sistemi ottici Include attualmente il sensore sul satellite SBSS (Space-Based Space Surveillance) sensor Completata da link di comunicazione, centri di analisi e processamento e canali di distribuzione dell informazione il database NORAD è basato sulla SNN: è il più completo catalogo globale delle orbite degli oggetti artificiali orbitanti attorno alla terra Capace di generare fino a osservazioni al giorno

6 Monitoraggio Space Debris: Sistemi operativi correnti 6 Al momento, solo Russia e Stati Uniti hanno capacità operativa di osservare sistematicamente ed aggiornare i cataloghi di oggetti spaziali ESA è attiva sul programma Space Situational Awareness (SSA) dal 2008.

7 Monitoraggio Space Debris: osservazioni space-based 7 E noto che la regione orbitale a più alta densità di debris è quella LEO; in tale fascia è dunque più alto il rischio di collisione tra oggetti orbitanti. Purtroppo la maggior parte dei piccoli detriti di grandezza inferiore a 10 cm non è catalogata. Debris tra 1 mm e 1cm (fino a 10cm) non possono essere facilmente rilevati da telescopi ottici o radar di terra. L osservazione con sensori satellitari fornisce valore aggiunto e complementa quella da terra R. Jehn. Debris Detection and Observation Systems, International Interdisciplinary Congress on Space Debris, McGill University, Montreal, 7-9 May 2009.

8 Il privilegio delle osservazioni dallo spazio Space Systems Ground Systems 8 Pro & Contra Pro & Contra Maggior costo Progettazione più complessa Osservazioni continue Indipendenza dalle perturbazioni atmosferiche Indipendenza da cicli giorno/notte Capacità di accesso esteso ai settori celesti Nessuna restrizione/vincolo geografico/geopolitico per le installazioni Minor costo Ottimo controllo e manutenzione dei sistemi Forti limitazioni sulla continuità delle osservazioni Dipendenza dalle condizioni atmosferiche e dalle sue perturbazioni Dipendenza dai cicli giorno/notte Restrizioni sulle capacità di accesso alle aree del cielo Potenziali restrizioni geografiche and geopolitiche Caratteristiche Imaging migliore per gli oggetti vicini Possibilità di identificazione dei detriti vicini e delle componenti. Costellazioni di satelliti per sensibile incremento di: Tempi di rivisita (di estrema importanza per rispondere ad eventi time-critical quali stime di traiettoria e manovre collision-avoiding) Continuità ed estensione del teatro di osservazione Caratteristiche Imaging fortemente influenzato dai disturbi atmosferici Rilevazione impossibile di oggetti in condizioni operative non ottimali di illuminazione o atmosferiche Porzione limitata del cielo osservabile Tempi di rivisita tipicamente lunghi e del tutto inadeguati a fronte di obiettivi time-critical

9 Sistemi space-based USA e Canada SBV (Space-Based Visible) was a successful technology demonstration (visible CCD camera) launched in 1996 into a 898 km altitude orbit. Became in 1998 the first operational space-based surveillance sensor of the US SSN In operation until SBSS (Space-Based Space Surveillance) The success of SBV led to the development of the SBSS system, a constellation of 4 satellites for space surveillance Launched in September km SSO. NEOSSAT. Canada DRD/CSA surveillance Micro-Satellite launched in Kg class, SSO 780 Km altitude 15 cm Maksutov telescope SAPPHIRE. Canada DoD surveillance Micro-Satellite launched in Kg, SSO 780 Km 15 cm Three Mirror Anastigmat

10 Monitoraggio Space Debris: Studi interni Thales Alenia Space Obiettivi: Sviluppare le attività previste nel contesto del progetto MONDES (MONitoring Debris System), uno studio proposto al PNRM (Piano Nazionale Ricerca Militare) 10 Attività in corso: Survey and analisi della letteratura esistente sull argomento Revisione critica dell informazione accessibile sui sistemi esistenti di monitoraggio di space debris sia ground-based che space-based Identificazione preliminare delle caratteristiche principali del target di osservazione: Caratteristiche elettromagnetiche, massa, dimensioni,. radar system (operating environment, spatial coverage, engineering parameters, software, hardware) Identificazione preliminare dei requisiti principali del sistema di osservazione in termini di: copertura, tempi di risposta, obiettivi di missione risoluzione, radiometria, spettri di frequenze di osservazione tipologia e dimensionamento dei sensori e delle piattaforme data handling processing, sia a bordo che a terra Identificazione preliminare delle aree critiche di sistema Generazione dei requisiti Analisi di missione

11 Elementi di Missione Analisi di Missione per space-based debris detection Simulazione di una popolazione statistica di debris nella regione LEO caratterizzata da un enorme numero di ogetti a differenti dimensioni (da millimetri a metri) Uso di tools validati e riconosciuti Meteoroid and Space Debris Terrestrial Environment Reference (MASTER 2009) of ESA Program for Radar and Optical Observation Forecasting (PROOF 2009) of ESA Mini e micro satelliti orbitanti attorno a 1000 Km capaci di imbarcare sensori radar e ottici On-board processing per filtraggio dati in tempo reale e trasmissione dati a terra o ad altri satelliti della costellazione con inter-satellite link per garantire continuità di osservazione e tracking Tecniche di processing dati a terra per ricostruzione della traiettoria dei debris e data fusion per gestione mista di informazione da sensori ottici e radar 11

12 Elementi di Missione Soluzioni preliminari L orbita di osservazione per entrambi le classi dei satelliti ottici e radar è identificata a 1000 km di quota ed eliosincrona Configurazione side-looking per il radar Relativa vicinanza e sincronismo delle osservazioni radar con gli oggetti target Configurazione front-down looking for lo strumento ottico Angoli di esclusione solare e stray-light x 104 Range at closest approach FOV = 10 ; Az = 0 ; El = 0 FOV = 10 ; Az = 0 ; El = -21 FOV = 10 ; Az = 90 ; El = -21 Number of crossing objects Range at closest approach (km)

13 Caratteristiche e parametri chiave dei sensori Expected improvement Spatial coverage: debris detection & position tracking imaging technique Size of interested debris Range and Velocity resolution of the interested debris Debris range coverage, probability of detection Optical system characteristic Telescope and Detector type: high efficiency telescope high-sensitivity CCD/CMOS detectors resolution (PSF) focusing capability (no optical aberration, MTF) Mainly achieved from multitemporal series of observations High sensor sensitivity (SNR) 13 Expected improvement RADAR system characteristic Notes Spatial coverage: debris detection & position tracking imaging technique (Inverse Synthetic Aperture Radar) Size of interested debris Range resolution of the interested debris Velocity resolution of the interested debris Debris range coverage versus probability of detection Debris range coverage, probability of detection, Antenna type: passive reflector phased array with multi-beam scanning TX carrier frequencies TX signal bandwidth TX signal pulse width TX signal power TX signal type: Frequency Modulated Continuous Waveform (FMCW) Pulsed Continuous Waveform (PCW) Ka-band (35GHz) is suggested to improve the azimuth resolution FMCW is suggested to improve the transmitted energy