Soluzioni nano-satellitari per il monitoraggio ambientale

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1 ! Soluzioni nano-satellitari per il monitoraggio ambientale Ing. Fabio Nichele Mission Developer, System Engineering

2 Terran Orbital Corporation: sviluppo di nanosatelliti! 2

3 Monitoraggio ambientale La conoscenza approfondita delle informazioni relative al suolo può dare indicazioni utili per la pianificazione di un impianto e/o alla gestione di un suolo agricolo, favorendo in maniera sostanziale l ottimizzazione della produzione I satelliti artificiali sono essenziali per il monitoraggio del territorio, e i loro vantaggi si manifestano in due tecniche principali: remote sensing (telerilevamento) e data exfiltration (raccolta e trasmissione dei dati a terra) La tecnologia nano-satellitare di Tyvak offre diversi aspetti innovativi rispetto ai classici sistemi di monitoraggio Abbattimento dei costi di sviluppo, produzione e lancio (miniaturizzazione elettronica, configurazione su standard CubeSat, piattaforma modulare, flessibilità di design e re-design) Performance elevate (ottimizzazione volume disponibile, payload ottici/ multispettrali di nuova generazione, ricerca su tecnologia SAR-LIDAR) Tempi di sviluppo ridotti (<1anno) e vita operativa elevata (>2 anni) Missioni e sistemi dedicati sviluppati su misura per aziende/enti/ consorzi/privati 3

4 Telerilevamento: applicazioni Lunghezze d onda di interesse e applicazioni µm (Blu) Distinzione nella vegetazione arborea µm (Verde) Distinzioni nella vegetazione - Definizione del vigore delle piante µm (Rosso) Assorbimento della clorofilla (utile per discriminare le piante) µm (IR vicino) Acque disegno delle coste e corsi d acqua - studi su biomassa µm (IR medio) Contenuto di umidità nel suolo µm (IR Medio) Assorbimento dell acqua strutture geologiche 4.3 µm 9.7 µm (IR medio) CO2, vapore acqueo, ozono in atmosfera µm (IR Termico) Temperatura umidità nel suolo Atmosfera dati complementari (misurazioni da terra / aeree) Atmosfera analisi meteo Superficie analisi produttività suolo Superficie monitoraggio incendi 4

5 Agricoltura: applicazioni specifiche Monitoraggio efficienza di sistemi su larga scala Dati termografici rivelano profili di temperatura e possono essere usati per valutare l efficienza e/o degrado di sistemi di isolamento termico Applicazioni a breve termine (identificazione impianti raffreddamento/riscaldamento danneggiati) e a lungo termine (pianificazione e ristrutturazione) Instradamento delle acque (water routing) Tipici sistemi di rilevamento nel visibile non riescono a risolvere il flusso delle acque con accuratezza. Tecniche di rilevamento nell IR possono essere usate per per monitorare flusso e instradamento Possibili applicazioni: identificazione uso legale/ illegale dei metodi di irrigazione, rilevazione di intasamenti/blocchi e misurazioni combinate di temperature/flussi acquiferi in condizioni di disastri naturali 5

6 Agricoltura: applicazioni specifiche Analisi approfondite grazie alla combinazione di immagini multispettrali e dall elaborazione dei dati a terra, attraverso algoritmi per geo-referenziazione, applicazione di filtri, sintesi additive Discriminazione tra specie vegetali, minerali e rocce Identificazione opere costruite dall uomo Monitoraggio dello stato di salute e stress della vegetazione Monitoraggio umidità del suolo e contenuto di umidità nella vegetazione Identificazione specie diverse di vegetazione + + IR vicino Rosso Verde + Filtro RGB = 5 km Questa immagine è una combinazione di misurazioni a terra correlate con le immagini satellitari da satellite MODIS per misurare N2, CO2, temperatura e derivare il rendimento dei terreni agricoli nella Swan Valley, Montana. 6

7 Applicazioni alternative Sorveglianza Visione notturna, sorveglianza e sicurezza sono applicazioni realizzabili sfruttando tecnologia IR. Il vantaggio è la possibilità di effettuare osservazioni anche in condizioni di buio. La reazione esotermica di motori e veicoli in movimento rende essi stessi buoni obiettivi per le applicazioni di sorveglianza. Gestione e monitoraggio delle infrastrutture Controllo delle emissioni in atmosfera Le misurazioni atmosferiche sono altrettanto importanti in quanto alcune emissioni non riflettono nel visibile, e sono pertanto tracciabili solo nelle bande IR e microonde. I sistemi di telerilevamento possono essere regolati sulle lunghezze d onda specifiche (N2, CO2, CO, CH4). Valutazione efficienza di infrastrutture tipo oleodotti (presenza CO, CH4), attraverso l uso di tecniche IR e LIDAR. Anche se la risoluzione spaziale è inferiore rispetto ad una misurazione aerea, si possono tuttavia fornire informazioni di allerta, sfruttando risoluzione temporale (tempi di rivisita giornalieri da LEO) e architetture di comunicazione. 7

8 Performance Molti degli strumenti utilizzati per queste applicazioni derivano da programmi militari per l identificazione di obiettivi attraverso atmosfera in condizioni di buio e condizioni meteorologiche avverse. Ad oggi il limite di risoluzione dei classici sistemi di osservazione è di 250m/pixel nell IR Termico. Tyvak può fornire 150m/pixel in lunghezze d onda specifiche nell IR Termico e 10m/pixel nel vicino-ir. Immagine notturna di Chicago - strumento IR (JAXA CIRC) risoluzione 200m/pixel. Tecnologia Tyvak può fornire risoluzione 4x migliore! 8

9 Raccolta e trasmissione dati Diversa tipologia di applicazione: raccolta di dati da terra, e trasmissione ad un centro di controllo de-localizzato. I dati possono provenire da sensori distribuiti al suolo, sistemi di rilevamento indipendenti, dotati di sistema di comunicazione e autoalimentati. Diverse architetture di comunicazione possibili in base alle necessità Trasmissione indiretta attraverso gateway vs. diretta sensore-nanosat Data-relay in real-time a satelliti di telecomunicazione vs. Store&Forward Relay Real-time Data Relay S-Band (2.4 GHz) (e.g., WiFi Network) High Gain (>22 dbi) S-Band Antenna S-Band (> 20 Mbps) Store & Forward Data Transmission and Other Comm Missions UGS Transceiver Gateway VHF/UHF Unattended Ground Sensors (UGS) Real-time Tasking Beyond Line of Sight Agriculture Center 9

10 Raccolta e trasmissione dati Una flotta di nano-satelliti può essere di proprietà di enti pubblici e/ o consorzi privati interessati ad un utilizzo esclusivo di proprie piattaforme satellitari Le risorse possono essere gestite da un centro operativo dedicato, che controlli operazioni, tempi, modalità di acquisizione e download dati. Lo sviluppatore (Tyvak) si occupa esclusivamente del monitoraggio dello stato di salute dei sistemi in orbita. Uno dei vantaggi principali risiede nella possibilità di ottenere set di dati regolarmente attraverso un sistema dedicato, a vantaggio della competitività Se la zona di interesse non può essere dotata di infrastruttura di telecomunicazione (es: cellulare/gsm), l architettura satellitare può sopperire a tale mancanza e a problemi di data-latency in caso di necessità di comunicazione real-time 10

11 Ricerca e Sviluppo tecnologico Intenso lavoro di ricerca e sviluppo su materiali, componenti e soluzioni miniaturizzate per massimizzare il volume disponibile a bordo 2/3 disponibili per integrazione payload di osservazione sofisticati Sviluppo di antenne ad alto guadagno per sistemi di comunicazione in banda-s Battery Module w/ Power Management & Distribution 3U CubeSat Bus C&DH System Board w/ GPS & UHF TT&C Daughterboards Reaction Wheel Star Tracker Representative CubeSat Bus and Deployable S-Band High Gain Antenna IMU! Available Payload Volume (>1.8 U) 11