Un esempio di Space-Based Radar: 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” Un esempio di Space-Based Radar: COSMO-SkyMed Fabiola Colone, Debora Pastina

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 http://www.skyrocket.de/space/ F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed

COSMO-SkyMed: i competitors Esistono due SAR space-borne con caratteristiche competitive rispetto a COSMO-SkyMed TERRASAR-X RADARSAT-2 Banda: X Antenna: Phased Array Attivo (4.8mx0.7m) Polarizzazioni: HH, VV, VH, VH Modalità operative: StripMap, ScanSar, SpotLight Data prevista di lancio: 2005 Banda: C Antenna: Phased Array Attivo (15mx1.5m) Polarizzazioni: HH, VV, VH, VH Modalità operative: StripMap, ScanSar, SpotLight Data prevista di lancio: 2005 http://www.radarsolutions.dera.gov.uk/radarsat2.html http://www.skyrocket.de/space/ F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed

COSMO-SkyMed: orbita e geometria operativa Altezza nominale dell’ orbita 619 Km (orbita LEO) Inclinazione 97.86° Tipo di orbita Sun-syncronous Eccentricità 0.00118 Perigeo 90° Rivoluzioni/giorno 14.8125 Tempo di rivisita da 6 a 12 ore Tempo di risposta < 24 ore Accessibilità 90° latitudine Massa al lancio 1734 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. F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed

COSMO-SkyMed: il radar Frequenza portante 9.6 GHz (Banda X) Banda del chirp < 400 MHz Figura di rumore del sistema 6 dB PRF 2000 – 4500 Hz Direzione di puntamento Lato destro e sinistro Zona di accesso (angoli di incidenza) 25°  57° (~590 Km) Potenza di picco 5 KW Lunghezza dell’ impulso < 80 μsec Quantità di immagini giornaliere 450 per satellite Dimensioni delle immagini da 1010 a 200200 Km2 Risoluzione da sub-metrica a 100m F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed

COSMO-SkyMed: l’antenna da Workshop Unità Tecnologica Payload RADAR, Roma 18/02/2003, ing. F. Caltagirone http://www.asi.it/html/ita/news/Presentazione PYRAD1.zip Phased array attivo di forma rettangolare 3 pannelli meccanici, 5 pannelli elettrici Polarizzazioni H e V 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 azimuth 0.3 deg Angolo di puntamento fisico dell'antenna in elevazione 33.5 deg Peso 450 Kg Puntamento meccanico il elevazione 5 deg F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed

COSMO-SkyMed: modi operativi Dimensione swath (Km) Area d’accesso 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 15 375 ScanSar WIDEREGION 100 30  30 150 HUGEREGION 200 100  100 75 SpotLight SPOT#2 10 1  1 Dual polarization PINGPONG >30 15  15 StripMap ScanSAR F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed

COSMO-SkyMed: le applicazioni 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: Monitoraggio ambientale (disastri, agricoltura, ghiacci, oil-spill) Monitoraggio urbano (aree urbane e rurali) Monitoraggio delle coste e delle acque marine Cartografia Geologia Applicazioni militari (sorveglianza e riconoscimento) Requisiti sui prodotti (immagini radar): Risoluzione Dimensione dell’area osservata Sensibilità Disponibilità F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed

Risoluzione cross-track (in range) rs rg qi (risoluzione in ground  costante su tutta la zona di accesso) (banda del chirp trasmesso variabile sulla zona di accesso) Risoluzione along-track (modo StripMap) Si vuole LSAR 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) Tutto va come se avessi un’antenna di dimensione LSAR spostamento along-track F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed

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) Rs H qi qoff Rg 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  T=1/PRF mT=m/PRF Si lavora in ambiguità: m = ordine di ambiguità F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed

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: F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed

Copertura della zona di accesso (1/3) Condizioni sulla PRF 1) Condizione di non ambiguità dello swath  T=1/PRF mT=m/PRF tNEAR tFAR Rs H qi Rg 2) Condizione per l’ALE (Altitude Line Echo) lT=l/PRF tNEAR tFAR 2H/c F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed

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

Copertura della zona di accesso (3/3) Swath piccoli N° di fasci elevato La zona di accesso viene ‘coperta’ utilizzando un’opportuna scelta di fasci (Beams) Beam Esempio   K = 15 M = 19 PRF = 3632,380 Min Mid Max Angolo di off nadir deg 36,375 37,517 38,616 Angolo di incidenza 40,589 41,920 43,209 Angolo al centro 4,214 4,404 4,593 Slant range km 790,213 804,145 818,437 Ground range 469,074 490,202 511,329 Swath width 42,255 Apertura del fascio 2,241 Copertura con pochi fasci F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed

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

Sensibilità (2/2) Esempio di calcolo del (S/N) per un fascio al centro della zona di accesso: Beam Esempio   K = 15 M = 19 PRF = 3632,380 Min Mid Max Angolo di off nadir deg 36,375 37,517 38,616 Angolo di incidenza 40,589 41,920 43,209 Angolo al centro 4,214 4,404 4,593 Slant range km 790,213 804,145 818,437 Ground range 469,074 490,202 511,329 Swath width 42,255 Apertura del fascio 2,241 F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed

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

Disponibilità del prodotto (2/2) Space segment Transmit frequency 8120MHz42.5MHz Transmission data-rate 155Mbps EIRP >22dBW Modulation scheme DE-QPSK BER <10-6 (Eb/N0>10.78 dB) X-Band data downlink S-Band downlink/uplink Ground segment Satellite control center Fucino Mission planningRoma Civil data processingMatera +altre stazioni fisse e mobili… On-board data-rate fino a 600Mbps! memoria abordo di 320 Gbit F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed

Data-rate (1/2) Flusso dei dati nel ricevitore di COSMO-SkyMed: A/D CONVERTER PDHT (Payload Data Handling and Transmission) DOWN CONVERTER LPF SAMPLING UNIT MUX fcamp = 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)  T=1/PRF RX WL Tempo disponibile per il trasferimento al PDHT F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed

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