SSA/SST architetture e segmenti specifici. Una road map dai sensori al servizio. L'AEROSPAZIO E L'AMBIENTE CESMA 9 Ottobre 2014

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1 SSA/SST architetture e segmenti specifici. Una road map dai sensori al servizio Massimo C Comparini Carlo Albanese Chief Technical Officer L'AEROSPAZIO E L'AMBIENTE CESMA 9 Ottobre 2014

2 SPACE SITUATION AWARENESS Il programma Europeo di Space Situa*on Awareness ha lo scopo di garan?re l indipendenza Europea nella sicurezza delle infrastrudure spaziali adraverso l adeguata informazione e conoscenza dell ambiente opera?vo spaziale, space weather, rispedo ai rischi, in orbita dovu? a possibili collisioni con detri?, debris, spaziali e a Terra Tale obiehvo necessita adeguata conoscenza e comprensione delle dinamiche degli oggeh in orbita, dell ambiente spaziale, dei rischi e delle minacce esisten? adraverso i domini di : SST Space Surveillance and Tracking Rilevazione, mappa e tracciamento dei detri? in orbita (debris), valutazione del rischio di collisione e contromisure. NEO Near Earth Object Scoperta e determinazione delle traiedorie di asteroidi e comete, possibilità di impado ed eventuale modifica della traiedoria SW Space Weather EffeDo dell ahvità solare sulle condizioni della magnetosfera ed della ionosfera che possono influenzare la affidabilità e funzionalità degli asset spaziali. 2

3 Space Surveillance & Tracking (SST) : Il Contesto Europeo ObieHvi La Commissione Europea ha adodato la decisione di definire un quadro di riferimento per la cosiddeda Space Surveillance and Tracking (SST). Con tale decisione si intende supportare una capacità indipendente di iden?ficazione, analisi e mi?gazione del rischio tramite operazione di collision avoidance di impah in orbita tra oggeh non controllabili (debris spaziali) e infrastrudure spaziali Allo stato aduale tale contesto di valutazione del rischio di collisioni è dipendente dagli allarmi e di da? forni? dalle autorità governa?ve degli Sta? Uni? In tale contesto è essenziale la federazione e l opera?vità congiunta di asset esisten? dei singoli sta? membri al fine di dotare l Europa di un primo nucleo di uno specifico servizio opera?vo agli sta? membri, agli operatori di infrastrdure spaziali, delle autorità nazionali Tale servizio consen?rà di valutare il rischio di collisioni in orbita, caraderizzare la possibilità di frammentazioni in orbita e di analizzare il rischio di rientri non controlla? di oggeh spaziali nell atmosfera terrestre.. 3

4 Space Surveillance & Tracking (SST) : Il Contesto Europeo L approccio Europeo Elemento essenziale del segmento SST è la costruzione e il mantenimento del catalogo degli oggeh spaziali iden?fica? in orbita adorno alla Terra. Al fine di produrre e manutenere tale catalogo è necessario : Ricostruire le dinamiche orbitali partendo dai da? forni? dai diversi sensori federa? (orbit determina*on) Verificare l eventuale presenza già registrata dell oggedo al catalogo EffeDuare monitoraggio al fine di fornire una pianificazione ai sensori per l aggiornamento del catalogo stesso Al fine di poter essere partecipi al consorzio Europeo il paese membro deve essere in grado di fornire informazioni rispedo ai sensori di cui è proprietario, informazioni circa la capacità di analisi e processamento dei da? e una road map in cui vengono esplicitate le modalità di cooperazione con gli altri Paesi Membri e i criteri di sicurezza che devono rispedare tuh gli elemen? dell architedura proposta 4

5 Space Surveillance & Tracking (SST) : Il Contesto Europeo L approccio Europeo I sensori SST verranno considera? adegua? qualora rispehno i requisi? propos? dalla EU in termini di numero di oggeh detectabili e precisione nella s?ma della posizione degli oggeh stessi secondo criteri di : ReaHvità per il Survey tempo tra l acquisizione dei parametri fisici degli oggeh e la loro detezione e localizzazione dectetable per il Tracking tempo tra l assegnazione dei debris al sensore(i) e la detezione e localizzazione Orbite Basse numero di oggeh detedabili fissata la precisione radiale in survey e numero di oggeh in tracking con determinata precisione angolare Altre Orbite numero di oggeh detedabili fissata la precisione radiale in survey e numero di oggeh in tracking con determinata precisione angolare A ciò deve essere associata una capacità di processamento allo scopo di fornire la s?ma della posizione dell oggedo a par?re dai parametri fisici odenu? con il sensore. 5

6 EU/ESA SST Segmen? di AHvità Valutazione asset e evoluzioni necessarie per la partecipazione al consorzio europeo Studio ArchiteDurale R&S nel dominio Satellite Laser Ranging R&S nel dominio della sorveglianza ohca e radar R&S nel dominio della sicurezza del sistema Sviluppo e dispiegamento della infrastrudura informa?ca IT Supporto Tecnico 6

7 AsseH Italiani Mappa? (ASI) Op?cal Assets Site Notes Almascope (Medicina - BO) Owner: Group of Space Robotics of University of Bologna. Involved in IADC space debris campaign for elliptic orbit (Molnyia), GEO and LEO observations (coordinated with Medicina Radio telescope) Campo Imperatore (AQ) Owner: INAF. Equipped with two different telescopes (Visible /IR). Involved in NEO campaign discovery and tracking. Some preliminary tests executed on debris follow-up. Loiano (BO) Owner: INAF. Involved in experiments for physical characterization of space debris in the GEO region. SPADE (MT) Owner: ASI, under installation at ASI/CGS, will be operated by e-geos. Performed Tests: GEO and LEO space debris campaign to support IADC research, made by Univ. La Sapienza. 7

8 AsseH Italiani Mappa? (ASI) Radar Assets Site Notes Croce del Nord (Medicina - BO) Sardinia Radio Telescope (CA) VLBI (Matera MT Medicina BO Noto SR) Owner: INAF/IRA. Radio Telescopes Array m (equivalent). If re-engineered, could offer good performances ( feeds and field of view 120 ) to perform satellite and space debris tracking up to cm with position accuracy of +/- 2 arcmin. Owner: INAF/ASI (+ MIUR, Sardinia Region), operated by INAF. Involved in TT&C/Radio Science. Possible SST Activities: Space Debris Surveillance. Owner: INAF/IRA (Medicina and Noto). Owner: ASI, Operated by e-geos (Matera). Medicina: space debris monitoring and NEO detection in bistatic configuration (As RX). Noto: Space Debris activities. Laser Assets Site Notes MLRO (MT) Owner: ASI, operated by e-geos. Very precise Laser ranging for Satellites and Moon. Suitable for Precise Tracking applications. Not yet tested on uncooperative objects (Space Debris). 8

9 Sperimentazioni in essere A livello nazionale l Aeronatuica Militare in collaborazione con INAF e ASI ha seguito l approcio Europeo e dell ESA per l assessment dei sensori esisten? Gli assets sono sta? testa? con target (sateli?) no? e coprendo differen? altezze e inclinazioni orbitali. Dai da? osserva?, «orbit res?tu?on» process, lo scopo è analizzare le migliori procedure per la determinazione orbitale con l impiego di uno o più sensori AM/ASI/INAF collabora?on: Radar Tracking Medicina Radio Telescope (test campaign ). INAF- BO/IFAC- CNR/UNI- BO/OAR/UNI- Roma1 collabora?on: Op?cal Loiano Telescope (test campaign 2011). 9

10 Poten?al go ahead approach at Italian level L analisi in corso a livello Italiano include la mappatura dei sensori e l analisi della catena di elaborazione includendo l analisi delle necessarie evoluzioni dei sensori In tale contesto l analisi di data verification e validation è particolarmente rilevante assieme alle catene di post-processing per le azioni di data mining e refined orbit determination. E quindi indispensabile muovere verso un aproccio architetturale integrato in cui I sensori a disposizione e la fase di data processing an exploitation fanno parte di un concetto architetturale unico. Poten?al Na?onal Objec?ves and Interests Debris follow-up observations using optical and/or laser ranging telescopes and radar assets. Images reduction, orbit determination and correlation data processing pipeline. Bi-static radar follow-up observations using large diameter antennas and radiotelescopes. Modelling the short and long-term evolution of the space debris population. Implementation of original risk assessment and collision avoidance algorithms and tools. 10

11 SST System: High Level Architecture (1) Building Blocks - Ground Segment Survey Telescopes (Radar, Optical) - Ground Segment Tracking Telescopes (Radar, Optical, Laser Ranging) - Data Processing Centre - Tasking Centre - Service Centre SST Services Users - Debris Catalogue Characterization - Collision Avoidance - Fragmentations - Re-entry predictions - Special Mission Support - Mission Characterization - General Public - Science Specialists - State Authority - Spacecraft Operators 11

12 SST System: High Level Architecture (2) Relations between Functions and Services for SST 12

13 SST System: High Level Architecture (2) Relations between Users and Services for SST 13

14 A Processing Pipeline for Collision Avoidance 1) Ground Segment Survey Telescopes (Radar, Optical) => Debris Catalogue. 2) Preliminary Risk Assessment => Warning Message, Tracking Requests. 3) Ground Segment Tracking Telescopes (Radar, Optical, Laser Ranging). 4) Accurate Orbit Determination (ODTK). 5) Services: Final Risk Assessment (Alert Message). Collision Avoidance (Maneuver Procedure). + other EU satellite Operators The objective is a data post-processing oriented to: Improve the debris orbit determination. Produce updated information as input for the collision avoidance optimization. Provide warnings for Space and Ground Critical Infrastructures protection. 14

15 STK / Orbit Determination Toolkit (ODTK) 1. Provides Initial Orbit Determination (IOD). 2. Conventional weighted Least-Squares (LS) estimator. 3. Backwards Kalman filtering is used to refine previous orbit and get the Optimal Orbit Determination (OOD). The software uses a High Precision Orbital Propagator (HPOP) which provides an extensive selection of equations of motion, numerical integration methods, and force modeling options. Input Data ODTK Processing (TLE, Spice, Ephemeris) Precise Orbit Dynamical models: Gravity Model Solid Earth Tides Ocean Tides Third Body Gravity Effect Atmospheric Drag (LEO) Solar Radiation Pressure ODTK is an asset held by the System Simulation Lab in Telespazio and it is the core of the SST pipeline. Starting from measurements performed by different Italian Assets, ODTK can provide a precise orbit of the observed target. Output can be provided to the operators for an accurate collision risk assessment, in order to properly activate the Collision Avoidance procedure with a minor number of false alerts. 15

16 Debris Collision Risk Assessment: Telespazio Procedure Telespazio operates Collision Avoidance for Cosmo Skymed. Starting from Data sources provided by US Stratcom, Telespazio runs a Risk Assessment procedure in order to refine the preliminary risk level. The procedure runs as follow: Automatic debris screening: based on simple TLE data (which may produce a yellow alert, manoeuvre planning strategy). Fine Risk Assessment (trend analysis): triggered in case of yellow alert, based on a recent history of TLE (which may produce a red alert). Collision Avoidance Manoeuvre Procedure: when a red alert is produced. Refined Risk Assessment as Service Such kind of expertise can be involved in the SST System s pipeline as a Risk Assessment Service. 16

17 SPACE SITUATION AWARENESS Telespazio ha ahvamente partecipato a numerosi studi in ambito europeo per lo studio della architedura complessiva e con responsabilità direda del segmento NEO In tale contesto ha aggregato una filiera nazionale di centri di ricerca e di partner industriali cos?tuendo il nucleo della partecipazione Italiana nel contesto europeo. La rilevanza degli asset spaziali nazionali per usi duali e governa?vi rende la partecipazione qualificata della filiera nazionale in amito europeo al tema della SSA di par?colare importanza rilievo. In tale contesto TELESPAZIO è capofila Nazionale per architedura di sistema e per il presidio di aree specifiche nei segmen? NEO, Space Weather and Surveillance and Tracking per applicazioni civili, duali e militari. 17