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Un esempio di Space-Based Radar: COSMO-SkyMed Fabiola Colone, Debora Pastina Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Spaziale Università degli Studi.

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Presentazione sul tema: "Un esempio di Space-Based Radar: COSMO-SkyMed Fabiola Colone, Debora Pastina Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Spaziale Università degli Studi."— Transcript della presentazione:

1 Un esempio di Space-Based Radar: COSMO-SkyMed Fabiola Colone, Debora Pastina Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Spaziale Università degli Studi di Roma “La Sapienza” FONDAMENTI DI TELECOMUNICAZIONI E TELERILEVAMENTO Anno Accademico 2004/2005 INFO-COM Dpt., Università di Roma “La Sapienza”

2 F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 2 COSMO-SkyMed: la missione COnstellation of Small Satellite for Mediterranean basin Observation  Programma dell’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) per l’osservazione della Terra, il cui sviluppo è stato assegnato ad Alenia Spazio  Costellazione composta da 4 satelliti equipaggiati con SAR in banda X ad alta risoluzione  Copertura a livello globale, con particolare riferimento all’area del Mediterraneo  Sistema tecnologicamente avanzato e competitivo rispetto allo scenario internazionale

3 F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 3 COSMO-SkyMed: i competitors Esistono due SAR space-borne con caratteristiche competitive rispetto a COSMO-SkyMed TERRASAR-XRADARSAT-2 -Banda: X -Antenna: Phased Array Attivo (4.8mx0.7m) -Polarizzazioni: HH, VV, VH, VH -Modalità operative: StripMap, ScanSar, SpotLight -Data prevista di lancio: Banda: C -Antenna: Phased Array Attivo (15mx1.5m) -Polarizzazioni: HH, VV, VH, VH -Modalità operative: StripMap, ScanSar, SpotLight -Data prevista di lancio: dera.gov.uk/radarsat2.html

4 F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 4 COSMO-SkyMed: orbita e geometria operativa Altezza nominale dell’ orbita619 Km (orbita LEO) Inclinazione97.86° Tipo di orbitaSun-syncronous Eccentricità Perigeo90° Rivoluzioni/giorno Tempo di rivisitada 6 a 12 ore Tempo di risposta< 24 ore Accessibilità  90° latitudine Massa al lancio1734 Kg Dimensioni del satellite 3.4  1.3  1.3 m (16.6 m = dim. max con pannelli solari dispiegati)  Collegamento Down-Link (banda X) a velocità fino a 155 Mbps.  Il data rate a bordo può raggiungere i 600Mbps  memoria a bordo di 320Gbit + disponibilità a terra di numerose stazioni di acquisizione.  Ricevitore GPS montato a bordo in grado di garantire un’accuratezza elevata nella determinazione della posizione.

5 F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 5 COSMO-SkyMed: il radar Frequenza portante9.6 GHz (Banda X) Banda del chirp< 400 MHz Figura di rumore del sistema6 dB PRF2000 – 4500 Hz Direzione di puntamentoLato destro e sinistro Zona di accesso (angoli di incidenza) 25°  57° (~590 Km) Potenza di picco5 KW Lunghezza dell’ impulso< 80 μsec Quantità di immagini giornaliere450 per satellite Dimensioni delle immagini da 10  10 a 200  200 Km 2 Risoluzioneda sub-metrica a 100m

6 F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 6 COSMO-SkyMed: l’antenna da Workshop Unità Tecnologica Payload RADAR, Roma 18/02/2003, ing. F. Caltagirone PYRAD1.zip Lunghezza dell'antenna in azimuth (direzione Along Track)5.6 m Lunghezza dell'antenna in elevazione (direzione Across Track)1.4 m Puntamento elettronico in elevazione  15 deg Puntamento elettronico in azimuth  2 deg Larghezza del fascio in azimuth0.3 deg Angolo di puntamento fisico dell'antenna in elevazione33.5 deg Peso450 Kg Puntamento meccanico il elevazione  5 deg  Phased array attivo di forma rettangolare  3 pannelli meccanici, 5 pannelli elettrici  Polarizzazioni H e V

7 F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 7 COSMO-SkyMed: modi operativi Dimensione swath (Km) Area d’accesso (Km) Range angoli di incidenza (deg) Risoluzione Rng x Az (m) Immagini al giorno Single polarization (HH,VV,HV or VH) StripMap HIMAGE >40>600 Km 20  59.5 da 3  3 a 15  ScanSar WIDEREGION 100>600 Km 20   ScanSar HUGEREGION 200>600 Km 20   SpotLight SPOT#2 10>600 Km 20   1 75 Dual polarization StripMap PINGPONG >30>600 Km 20   StripMap ScanSAR

8 F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 8 COSMO-SkyMed: le applicazioni  Monitoraggio ambientale (disastri, agricoltura, ghiacci, oil-spill)  Monitoraggio urbano (aree urbane e rurali)  Monitoraggio delle coste e delle acque marine Il sistema sarà in grado di offrire informazioni per un elevato numero di applicazioni grazie alla capacità di acquisire immagini ad alta risoluzione ed elevata frequenza di rivisita dei siti di interesse e alla velocità con la quale è in grado di rendere disponibili i dati richiesti dall’utente. Applicazioni potenziali:  Risoluzione  Dimensione dell’area osservata  Sensibilità  Disponibilità Requisiti sui prodotti (immagini radar):  Cartografia  Geologia  Applicazioni militari (sorveglianza e riconoscimento)

9 F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 9 Risoluzione Risoluzione cross-track (in range) Risoluzione along-track (modo StripMap) (risoluzione in ground  costante su tutta la zona di accesso) (banda del chirp trasmesso variabile sulla zona di accesso) spostamento along-track Tutto va come se avessi un’antenna di dimensione L SAR rsrs rgrg ii Si vuole L SAR il più grande possibile  limite legato a  A …ma l’aumento di  A comporta:  Riduzione della sensibilità (guadagno di antenna ridotto)  Aumento della PRF (campionamento corretto della banda del segnale ricevuto)

10 F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 10 Dimensione dell’area osservata Dimensione along-track (modo StripMap) E’ legata alla durata dell’acquisizione  è limitata dalla capacità di gestione del flusso di dati (memoria + down-link) e dal power supply system Dimensione cross-track (swath in range) RsRs H ii  off RgRg E’ limitata da  dimensione del fascio in elevazione  A  trade-off tra swath e sensibilità (fascio allargato  perdita di direttività)  PRF  trade-off tra swath e risoluzione along-track Si lavora in ambiguità: m = ordine di ambiguità  T=1/PRF mT=m/PRF

11 F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 11 Geometria di Terra sferica Applicando il Teorema dei Seni, si ha: Applicando il Teorema delle Proiezioni, si ha: Applicando il Teorema del Coseno, si ha:

12 F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 12 Copertura della zona di accesso (1/3)  T=1/PRF mT=m/PRF  t NEAR  t FAR Condizioni sulla PRF 1) Condizione di non ambiguità dello swath 2) Condizione per l’ALE (Altitude Line Echo) RsRs H ii RgRg lT=l/PRF  t NEAR  t FAR 2H/c

13 F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 13 Copertura della zona di accesso (2/3) (a)(b) (c) (d)  =40  s H=619 km a)Condizione non ambiguità b)Condizione ALE c)Non-ambiguità + ALE d)PRF=k(c/2H)

14 F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 14 Copertura della zona di accesso (3/3) Swath piccoli N° di fasci elevato Copertura con pochi fasci La zona di accesso viene ‘coperta’ utilizzando un’opportuna scelta di fasci (Beams) Beam Esempio K =15 M =19 PRF =3632,380 MinMidMax Angolo di off nadirdeg36,37537,51738,616 Angolo di incidenzadeg40,58941,92043,209 Angolo al centrodeg4,2144,4044,593 Slant rangekm790,213804,145818,437 Ground rangekm469,074490,202511,329 Swath widthkm42,255 Apertura del fasciodeg2,241

15 F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 15 Sensibilità (1/2) Potenza di picco trasmessa Guadagno d’antenna Area equivalente d’antenna RCS del bersaglio Distanza in slant Potenza di rumore Perdite di propagazione nell’atmosfera Rapporto di compressione (chirp) La sensibilità del sistema è valutabile mediante il rapporto tra la potenza del segnale utile (S) e la potenza di rumore (N): Per un bersaglio esteso si pone: Riflettività superficiale Risoluzione in range (FoV range) FoV azimuth

16 F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 16 Sensibilità (2/2) Beam Esempio K =15 M =19 PRF =3632,380 MinMidMax Angolo di off nadirdeg36,37537,51738,616 Angolo di incidenzadeg40,58941,92043,209 Angolo al centrodeg4,2144,4044,593 Slant rangekm790,213804,145818,437 Ground rangekm469,074490,202511,329 Swath widthkm42,255 Apertura del fasciodeg2,241 Esempio di calcolo del (S/N) per un fascio al centro della zona di accesso:

17 F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 17 Disponibilità del prodotto (1/2) Tempo di risposta (dal deposito della richiesta fino al rilascio del prodotto all’utente)  da 18 a 72 ore System Response Time User Request Reception Commands availability at TT&C site Commands up-link Imaging Data down- link Product availability to user Programming delay Access delayInformation age Imaging delay Processing & delivering Contact between satellite and data acquisition station Plan and schedule Satellite visibility

18 F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 18 Disponibilità del prodotto (2/2) Ground segment Satellite control center  Fucino Mission planning  Roma Civil data processing  Matera +altre stazioni fisse e mobili… Space segment X-Band data downlink S-Band downlink /uplink Transmit frequency8120MHz  42.5MHz Transmission data-rate155Mbps EIRP>22dBW Modulation schemeDE-QPSK BER dB) On-board data-rate fino a 600Mbps!  memoria abordo di 320 Gbit

19 F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 19 Data-rate (1/2) DOWN CONVERTER SAMPLING UNIT LPF A/D CONVERTER MUX f camp = da 93.75Mhz a 187.5Mhz a passo 3.75Mhz (OVS=1.25) 40Mhz 75Mhz 120Mhz 160 Mhz 8I+8Q bit + compressione BAQ (8:3,8:4) PDHT (Payload Data Handling and Transmission) Flusso dei dati nel ricevitore di COSMO-SkyMed:  T=1/PRF RX WL Tempo disponibile per il trasferimento al PDHT

20 F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 20 Data-rate (2/2) Esempio di calcolo del data-rate per un fascio al centro della zona di accesso:


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