I.I.S.S. - G. MARCONI piazza Poerio 2 - BARI PROGETTO EduSAT Missioni e carichi utili per i satelliti artificiali Il Payload Prima Parte Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente 1 Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace
Introduzione Missioni e carichi utili In questa lezione parleremo dei carichi utili trasportati dai satelliti artificiali. Un :satellite formato dalla sola piattaforma (detta anche bus o carrozza) servirebbe a ben poco: è il carico utile che caratterizza di fatto un veicolo spaziale, in base alla missione che gli è stata assegnata. Con una analogia squisitamente commerciale,il carico utile viene spesso chiamato passeggero o, in inglese, "payload'" che significa letteralmente carico pagante. I parte Satelliti per telecomunicazioni Satelliti per l'osservazione della terra II parte Satelliti meteorologici Satelliti per la navigazione Satelliti scientifici Sputnik I, primo satellite artificiale della storia 4 ottobre 1957 2
Le telecomunicazioni via satellite I satelliti di telecomunicazioni sono essenzialmente dei ponti radio che, trovandosi a grande altezza rispetto alla superficie terrestre ricevono da terra e ritrasmettono a terra segnali radio su frequenze specifiche. I segnali radio trasportano diversi tipi di informazioni analogiche e digitali: televisione, telefonia, dati, Internet.. a seconda della specifica missione assegnata ad ogni satellite. Mentre la trasmissione da Terra al satellite è affidata in genere a poche stazioni, la ricezione varia a seconda del tipo di comunicazione svolto: per la telefonia fissa si impiegano poche stazioni riceventi, che a loro volta si incaricano di instradare il traffico telefonico sulla rete telefonica cablata, per la televisione la ricezione invece è capillare ed ogni edificio pubblico o privato che voglia ricevere la TV via satellite si deve dotare della sua antenna e del suo ricevitore. Il grande vantaggio del satellite, soprattutto se collocato in orbita geostazionaria, e ugualmente distanziat fra loro per coprire quasi tutto il mondo, ad eccezione delle zone polari che peraltro sono pressoché disabitate. Gli anni recenti hanno visto più di una iniziativa di telefonia fallire per mancanza di competitività con le reti terrestri di telefonia fissa e cellulare. T 2 = (4π 2 /Gms ) x R 3 III Legge di Keplero R = 3 GmT 2 /4 2 = 42.168 Km Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente 3 Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace
Quando usare un satellite di telecomunicazioni La convenienza tecnica ed economica delle telecomunicazioni via satellite rispetto a quelle terrestri dipende dal tipo di applicazione, televisione, telefonia, internet,e dall' area geografica dove si vuole fornire il servizio. Tutte le soluzioni che l ingegneria realizza per risolvere determinati problemi presentano vantaggi e svantaggi; i satelliti di telecomunicazioni non fanno eccezione. Nel corso degli ultimi decenni le compagnie telefoniche, pubbliche e private, hanno effettuato grandi investimenti in reti di cavi in fibra ottica, ed in ponti radio: oggi le aree del mondo TELSTAR 1: primo satellite per le telecomunicazioni 10 luglio 1962 altamente sviluppate come l'europa, il Giappone il Nord America ne posseggono in grande abbondanza. I paesi in via di sviluppo se ne stanno dotando. La banda, in pratica la velocità di trasmissione, di una fibra ottica, è molto maggiore di quella di qualsiasi satellite lanciato fino ad ora,e, nel mondo industrializzato, costa decisamente di meno. Per questo motivo, per le comunicazioni telefoniche che sono sempre da punto a punto, in genere il satellite non è conveniente, salvo che per le navi e gli aerei ai quali può garantire una copertura continua dovunque si trovino, o per aree dove non esista una infrastruttura terrestre adeguata. Gli anni recenti hanno visto più di una iniziativa di telefonia via satellite fallire per mancanza di competitività con le reti terrestri di telefonia fissa e cellulare. 4
Il carico utile di telecomunicazioni Nella struttura di un tipico carico utile di telecomunicazioni si notano: una o più antenne riceventi che devono essere puntate verso le stazioni trasmittenti terrene interessate. I Trasponditori che sono apparati radio ricetrasmittenti. Una o più antenne trasmittenti, a seconda della missione del satellite, queste hanno una copertura, cioè una larghezza del fascio dell energia irradiata, classificabile come: - Globale, con copertura di quasi 1/3 della superficie terrestre. - Semiglobale, che copre circa 1/6 della superficie terrestre. - Zonale con copertura dedicata ad una particolare area geografica per esempio l Italia. - Puntiforme che copre una zona relativamente piccola e ben definita. Il termine trasponditore deriva dalla contrazione di due termini, trasmettitore e risponditore, ed indica un dispositivo elettronico che riceve amplifica e ritrasmette un segnale su una frequenza diversa da quella di ricezione. Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente 5 Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace
Lo spettro delle frequenze e le bande usate per le telecomunicazioni via satellite λ = Velocità della luce / Frequenza (Fr = 1/T) (Spazio = Velocità x Tempo) Esempio: lunghezza d onda per una frequenza di 4 Ghz λ = 3 x10 8 / 4 x10 9 = 0,075 m = 7,5 cm 0,2-1 Ghz Le telecomunicazioni via satellite Le telecomunicazioni via satellite ITU - T è l'acronimo di International Telecommunication Union - Telecommunication Standardization Bureau, ovvero è il settore della Unione Internazionale delle 6
Telecomunicazioni che si occupa di regolare le telecomunicazioni telefoniche e telegrafiche. Fino al 1992 era noto come CCITT ("Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique"). L'ITU-T fornisce delle specifiche standard (o raccomandazioni) riconosciute a livello internazionale. Le varie aree di lavoro corrispondono ad altrettante serie, rappresentate da una lettera maiuscola, mentre le singole specifiche interne a ciascuna serie sono rappresentate da un numero. Complessivamente, una particolare specifica può chiamarsi ad esempio V.200 I satelliti per l osservazione della terra. L'osservazione della Terra dall'alto, per Scopi civili e militari. Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente 7 Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace
L'idea di osservare la Terra da grande altezza per poter vedere e fotografare ampie zone di territorio è nata con l'aviazione. Già i primi palloni aerostatici potevano portare a bordo degli osservatori militari che,muniti di cannocchiale, osservavano dall'alto i movimenti degli eserciti amici e nemici: la fotografia ancora non esisteva. Fu però l'invenzione dell'aeroplano, unita all'uso della macchina fotografica, che permise, all'inizio del secolo scorso, lo sviluppo sistematico della ricognizione aerea per usi civili e militari. E' evidente che, più: in alto si vola., più ampie sono le zone che si possono osservare; però è altrettanto evidente che, più ci si innalza da terra, più piccoli diventano i dettagli degli oggetti osservati. KH12 satellite spia Naturalmente queste tecnologie fanno gola anche ai militari, che le utilizzano sui satelliti da ricognizione. Di questa ultima specie di veicoli spaziali poche caratteristiche vengono divulgate; si sa però che sono impiegate sofisticatissime tecnologie ottiche e fotografiche. A titolo di esempio, i satelliti americani appartenenti alla famiglia nota come KH12 sono dotati di un obiettivo fotografico 8
di tipo telescopico del diametro di circa 3 metri e capace di una risoluzione di circa 15 centimetri da un'altitudine di 300 Km che è generalmente l'altezza orbitale dei satelliti spia. Questi mostri spaziali" hanno una massa stimata di 20 tonnellate ed il costo di un singolo esemplare comprensivo del lancio si aggira sul miliardo e mezzo di dollari. Roma e dintorni vista da un RADAR ad apertura sintetica (SAR) Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente 9 Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace
I satelliti per l osservazione della terra: ENVISAT Envisat in breve Dimensioni Envisat è grande all incirca come un autocarro articolato 10m 4m 4m con pannello solare e ASAR ripiegato 25m 7m 10m con pannello solare e ASAR dispiegato Peso 8200 kg al lancio Include 300 kg di carburante hydrazine per i thruster di controllo dell orbita Alimentazione La batteria di pannelli solari genera 6,6 kw di elettricità dopo cinque anni in orbita Orbita Ogni 100 minuti sorvola la Terra ad un altitudine di 800 km Copertura globale ogni 3 giorni (per la maggior parte degli strumenti) Copertura di una stessa area ogni 35 giorni Durata Durata prevista di 5 anni Entrambi i precedenti satelliti di osservazione terrestre dell'esa, ERS-1 e 2, hanno superato abbondantemente la loro durata prevista Strumenti Dieci strumenti di osservazione terrestre In lunghezze d onda comprese tra 0,2 micrometri e 10 cm Raccolta dati Nel corso della sua esistenza Envisat raccoglierà 1 Petabyte (1015byte) di dati Sufficienti per riempire gli hard disk di un milione di computer desktop. Datalinks 10
2 collegamenti da 100 Mbit/s tramite il satellite di trasmissione dati europeo (European Data Relay Satellite); 2 collegamenti diretti da 100 Mbit/s alle stazioni di ricevimento di terra. Ciascun collegamento è 2000 volte più veloce di un modem standard per computer. Memoria dati 160 Gbit di memoria dati totale a bordo Sufficiente per 1,6 milioni di chilometri quadrati di immagini SAR, più i dati di un'orbita completa raccolti da tutti gli altri sensori Costruzione Il satellite è stato costruito da un consorzio di 50 società sotto la direzione di Astrium Il segmento di terra è stato costruito da un consorzio di 20 società cui fa capo Alcatel Space Industries Vettore Ariane-5 dal Guyana Space Centre, la base di lancio europea. Costo 2 miliardi di euro in 15 anni Pari a circa 7 Euro per ogni cittadino degli stati membri dell ESA o a circa 1 caffè all anno per ciascuno. Stati partecipanti Austria, Belgio, Canada, Danimarca, Francia, Finlandia, Germania, Italia, Paesi Bassi, Norvegia, Spagna, Svezia, Svizzera, Regno Unito. Envisat in orbita Envisat in costruzione Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente 11 Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace
ENVISA T Strumenti trasportati Vediamo quali sono gli strumenti trasportati da Envisat e a che cosa servono. In seguito ne descriveremo più in dettaglio due tipi che sono in qualche modo gli ingredienti di base" di ogni satellite per l osservazione della Terra. Gli strumenti in questione sono nove: AATSR, Advanced Along Track Scanning. Radiometer,. (Radiometro Avanzato a Scansione lungo il Percorso) misura la temperatura della superficie del mare ASAR, Advanced Synthetic Aperture Radar, Radar Avanzato ad Apertura Sintetica: opera in Banda C (compresa fra 4 e 5 GHz) e può rivelare variazioni di altezza da superficie terrestre con precisione di una frazione di millimetro RA-2, : è un radar altimetro a impulsi a doppia frequenza, 13.575 GHz e 3.2 GHz, usato per studiare la topografia degli oceani, monitorare l'altezza e la (distribuzione dei ghiaccì sul mare, misurare l'altezza della terra ferma. MWR MicroWave radiometer (Radiometro a Microonde),per misurare la quantità di vapore acqueo nell atmosfera. MERIS Medium Resolution Imaging Spectrometer (Spettrometro a immaginì a Media Risoluzione): misura il potere riflettente della superficie dell'atmosfera della Terra nell'ambìto della radiazione visibile del Sole. in 15 bande spettrali differenti DORIS, Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite (Orbitoglrafia Doppler e Radioposizionamento integrato tramite Satellite), viene utilizzato per determinare con una precisione di 10 cm la posizione del satellite e la sua orbita GOMOS, Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars. (Monitoraggio Globale dell'ozono tramite Occultamento delle Stelle), osserva le stelle quando "discendono''' attraverso l'atmosfera terrestre e cambiano colore. Questo fenomeno fornisce molte informazioni sulla presenza e sulla distribuzione dell'ozono nell'atmosfera del nostro pianeta. MIPAS, Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding, (spettrometro Michelson per il sondaggio passivo dell'atmosfera), é uno spettrometro a trasformata di Fourier in grado di misurare l'emissione termica dell'atmosfera terrestre nella regione spettrale del medio infrarosso. SCIAMACHY, Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric CartographY, (Spettrometro di assorbimento a scansione per la cartografia atmosferica),compara la luce ricevuta dal Sole con la luce riflessa dalla Terra, fornendo informazioni sulla composizione dell'atmosfera attraversata dalla luce solare. Nel marzo del 2007 grazie a tre anni di analisi dello strumento SCIAMACHY gli scienziati dell'esa hanno prodotto i primi filmati della distribuzione dell'anidride carbonica e del metano nell atmosfera terrestre. 12
Dislocazione degli strumenti in Envisat I satelliti per l'osservazione della terra: COSMO-Skymed Le caratteristiche generali di COSMO-Skymed Il sistema COSMO-Skymed, la cui realizzazione è stata affidata all'industria italiana è formato da una costellazione di quattro satelliti per l'osservazione della Terra, per scopi sia civili che militari. Il nome del sistema è un acronimo che, tradotto in italiano, significa "Costellazione di piccoli satelliti per l osservazione del bacino mediterraneo". Il committente del programma è l Agenzia Spaziale Italiana. e la principale azienda coinvolta nella sua realizzazione è Thales Alenia Space Italia. Data la presenza di una componente militare della missione, non tutti i dettagli del sistema sono disponibili al pubblico. Tutti e quattro l satelliti percorreranno un'orbita eliosincrona, ad un'altitudine di circa 620 Km, con un periodo orbitale di circa 97 minuti. Le caratteristiche dell'orbita sono tali per cui ogni satellite sorvolerà la stessa zona ogni 5 giorni, anche se con un angolo di visuale diverso. Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente 13 Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace
Quando la costellazione sarà completa di tutti e quattro i suoi componenti, questi saranno normalmente posizionati sullo stesso piano orbitale. Ogni satellite della costellazione ha una massa di circa 1700 Kg, è stabilizzato su tre assi con l'ausilio di sensori stellari e ricevitori GPS, ha un sistema di pannelli solari capaci di fornire una potenza di almeno 3,5 KW ed è progettato per una vita utile di 5 anni in orbita. Il carico utile è basato su di un radar ad apertura sintetica di produzione italiana capace di fornire immagini della zona sorvolata anche in condizioni di completa copertura nuvolosa. Quando il sistema sarà pienamente operativo, potrà fornire alle stazioni terrene 1800 immagini radar ogni 24 ore. COSMO-Skymed: La striscia bianca in basso è l'antenna del SAR (Radar ad apertura sintetica) Le applicazioni ed il carico utile di COSMO-Skymed Esempi di aree di applicazione del sistema sono: La prevenzione e la gestione dei disastri ambientali tramite l'osservazione continua di una determinata area,di giorno e di notte, anche in condizioni di cattivo tempo Il monitoraggio dello stato delle coste, dei mari, delle acque interne, per valutare fenomeni di erosione ed inquinamento II controllo del traffico marittimo Il controllo delle risorse agricole e forestali sia per permettere agli agricoltori di ottimizzare i raccolti, sia per contribuire alla conservazione del patrimonio forestale, così importante per la qualità dell aria sulla superficie terrestre Il controllo degli edifici per monitorare tutte le situazioni di abbassamento del suolo o sottosuolo che sono frequente causa di cedimenti strutturali e crolli. 14
La cartografia che si avvarrà della capacità del sistema COSMO-Skymed di realizzare immagini tridimensionali del suolo, ad elevata precisione. Per effettuare le funzioni appena descritte ed altre ancora, ognuno dei quattro satelliti è equipaggiato con un radar ad apertura sintetica, o SAR, che opera nella banda X, alla frequenza di 9,6 GHz, vede anche attraverso le nuvole e può essere utilizzato in diverse modalità operative, sfruttando la sua antenna di tipo "phased array", composta da un reticolo di piccole antenne alimentate con opportune relazioni reciproche di fase del segnale radio. La risoluzione del SAR varia da un minimo di 100m, per strisce sul terreno larghe 100 Km, a un massimo di 1 m per la scansione dettagliata di piccole aree di 10x10 Km quadrati. In un prossimo capitolo parleremo del SAR in genere per spiegare come funziona. Una particolare modalità di uso, che sfrutta la presenza in orbita di un sistema di satelliti uguali, è quella denominata "interferometrica combinando opportunamente le immagini della stessa zona di terreno. ottenuta da due radar, si possono ottenere delle mappe tridimensionali cioè stereoscopiche. di grande precisione. Come funziona il SAR nel COSMO - Skymed Il SAR funziona grazie al suo movimento. Infatti riceve più impulsi di ritorno riflessi come se avesse una grande antenna. Questi, però, devono essere sottoposti ad elaborazione da computer specializzati. Il risultato è una rappresentazione di un bersaglio di 30 m, alla distanza di 800 Km. Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente 15 Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace
Come funziona lo spettrometro multibanda Lo spettrometro multi banda noto anche con il nome di scanner multispettrale, è uno strumento ottico capace di osservare la superficie terrestre simultaneamente in più bande di frequenza che comprendono in genere la luce visibile e l'infrarosso. Per fare un'analogia con la fotografia classica, lo strumento funziona concettualmente come se fosse una batteria di macchine fotografiche tutte puntate sullo stesso soggetto e ognuna con un filtro di colore diverso montato davanti all'obiettivo. La realizzazione pratica di uno spettrometro multi banda differisce da caso a caso, ma in genere si tratta di una sorta di scanner, simile in linea di principio agli scanner da tavolo che si trovano nei negozi di informatica, che ""spazzola" un'area della superficie terrestre restituendone una immagine per ciascuna delle bande spettrali di cui lo strumento è dotato. 16