Programma TerraSAR-X

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TerraSAR-X è un progetto sviluppato dall’Agenzia Aerospaziale tedesca (DLR), supportata dal Ministero dell’Educazione e della Scienza (BMBF), in public-private-partnership con EADS Astrium GmbH. Il satellite TS-X nasce dal background scientifico delle missioni radar X-SAR (1994) e SRTM -Shuttle Radar Topography Mission- (2000) con l’obiettivo di fornire dati SAR in banda X multi-mode e con elevate prestazioni in risoluzione utilizzabili per analisi dettagliate in numerosi campi scientifici: idrologia, geologia, oceanografia, climatologia, cartografia e monitoraggio di inquinamento e disastri ambientali.

La qualità dei dati è garantita dall’implementazione di nuove tecnologie che permettono:

• risultati eccellenti in termini di risoluzione geometrica e radiometrica mai raggiunti da nessun radar civile;
• Utilizzo di doppia polarizzazione, due delle possibili polarizzazioni (HH & VV, HH & HV o VV & HV) possono essere acquisite contemporaneamente;
• multi-temporal imaging;
• accurato controllo dell’assetto dell’orbita per Repeat-Pass interferometry;
• nuove modalità di acquisizione di immagini come ScanSAR and sliding/staring Spotlight

Il controllo della missione è gestito dal DLR che fornisce le infrastrutture necessarie per il Ground Segment mentre EADS Astrium si è occupato dello sviluppo, dell’assemblaggio e del lancio del satellite.

Il lancio del satellite è stato effettuato il 15/06/2007 dal Cosmodrome di Baikonur, Kazakhistan, con l’utilizzo di un razzo russo Dnepr-1 che ha portato il satellite in orbita all’altezza di 514,8 km. Solo quattro giorni dopo il lancio è stata ricevuta la prima immagine da Tsimlyanskoye (Russia). La durata prevista della missione è di 5 anni con l’obiettivo di raggiungere a pieno regime 6,5 anni.

TerraSAR-X percorre un’orbita sun-synchronous dawn-dusk, muovendosi lungo il confine tra giorno e notte rivolgendo constantemente il Solar array verso il sole in modo da rendere possibile un continuo rifornimento di enegia; può coprire qualsiasi punto della Terra in massimo 4,5 giorni, il 90% della superficie in 2 gioni.

Dati orbitali

Ripetizione del ciclo	11 giorni= 167 orbite
Orbite per giorno	15 2/11
Attrav. dell’equatore in fase acendente	18:00 ore ± 15 min.
Altitudine all’equatore	514.8 km
Angolo di inclinazione	97.44°
Ampiezza semiasse maggiore	6883.513 km
Eccentricità	0.0011- 0.0012
Fase di perigeo	90°

Indice 1 SPACE SEGMENT 1.1 Solar generator 1.2 Assetto di volo 1.3 Gestione dati 1.4 RF communications 1.5 Secondary payloads: LCT, TOR 1.6 TSX-SAR antenna 2 GROUND SEGMENT

[modifica] SPACE SEGMENT

Il satellite TerraSAR-X, costruito da EADS Astrium GmbH, è stato concepito ispirandosi al modello di riferimento utilizzato nelle missioni Champ e Grace. La struttura portante ha una lunghezza di 5m e una sezione esagonale di 2,4 m in diametro per una massa di 1230 kg (bus=549 kg, payload=394 kg, propellant of 78 kg).

[modifica] Solar generator

Il lato rivolto verso il sole è coperto da un pannello solare costituito da celle -GaAs Triple Junction. Le celle a tripla giunzione sono formate da tre strati di materiali semiconduttori, fosfuro di indio/gallio su arseniuro di gallio su germanio (GaInP2/GaAs/Ge) raggiungendo prestazioni in efficienza di conversione pari al 32,3%. Il Solar array fornisce una potenza media orbitale di 800 Watt (End of Life) nelle condizioni peggiori di illuminazione, 1800 KWatt di picco (Begin of Life). Il worst case di consumo ipotizzabile nello scenario di imaging e downlink è di 600 Watt prevedendo così un margine accettabile.

[modifica] Assetto di volo

Il controllo dell’assetto di volo è effettuato dal GPS/Tracker system in condizioni normali e dal CESS (Corse Earth and Sun Sensor) in condizioni di sicurezza e durante l’acquisizione iniziale. In modalità di fine pointing si raggiunge un accuracy di 65 arcsec. Il sistema di puntamento implementa un nuovo metodo “Total Zero Doppler” sviluppato dal DLR che combina il controllo di imbardata (yaw steering) con un controllo addizionale sul beccheggio (pitch steering) in modo da ottenere teoricamente zero Herts in banda doppler sull’intero range di angoli di incidenza lungo l’orbita e contemporaneamente per le geometria di right-looking e left-looking migliorando le prestazioni del SAR processing. Il satellite è equipaggiato con 78 kg di combustibile (hydrazine) per il sistema di propulsione e il controllo della posizione e dell’orbita sufficienti per 10 anni di attività.

[modifica] Gestione dati

Il sistema ICDE (Integrated Control and Data System Electronics), componente fondamentale dell’architettura è costituito da due moduli cross-coupled (l’unità è fully redundant) dotati di processore a 32 bit con prestazioni maggiori di 18 MIPS e memoria adibita a contenere i dati per l’assetto di volo e i software di gestione dei dati. ICDE utilizza UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) doppiamente orientati per interfacciarsi con tutti i dispositivi a bordo ad eccezione del LCT (Laser Communication Terminal). La massa del componente è di 12-18 kg e il consumo in potenza è di 15-30 Watt in dipendenza della configurazione selezionata.

[modifica] RF communications

Per la ricezione dei comandi e per le trasmissioni telemetriche, è utilizzato un sistema standard S-Band TT&C con copertura di 360°. La trasmissione in uplink (freq. 4 kbit/s, 2025-2110 MHz, modulazione BPSK) è criptata mentre non lo è in downlink (freq.da 32 kbit/s a 1 Mbit/s, 2200-2400 MHz modulazione BPSK). I dati generati dalle rilevazioni SAR sono memorizzati a bordo nell’unità SSMM (Solid State Mass Memory) di capacità pari a 256 gbit (EOL) prima di essere trasmessi (modulazione DQPSK) alla stazione ricevente alla frequenza di 300 Mbit/s attraverso XDA (X-band Downlink Assembly). La SAR data downlink Antenna (X-Band) è montata su un braccio di 3,3m per evitare interferenze durante operazioni simultanee di radar imaging e trasmissione dei dati a terra. Il downlink in X-band è criptato. I dati SAR grezzi sono compressi con l’algoritmo BAQ (Block Adaptative Quantization) solo dopo la memorizzazione. Il BAQ lavora su blocchi di 128 campioni consecutivi con fattore di compressione selezionabile di 8, 4, 3, 2 bits per campione. Il sistema è anche predisposto in caso di necessità a non effettuare alcuna compressione.

[modifica] Secondary payloads: LCT, TOR

Due esperimenti secondari sono condotti a bordo del satellite TS-X. Il Laser Communication Terminal (LCT), costruito da TESAT, costituisce il futuro della trasmissione dati nello spazio attraverso l’utilizzo di frequenze ottiche. Il suo utilizzo permetterà lo spostamento di grandi quantità di dati verso terra in tempi ristretti e anche l’interfacciamento con altri satelliti, in via sperimentale esso è collegato ad uno strumento analogo in volo sul satellite NFIRE. Il TOR (Tracking, Occultation and Ranging experiment) è costituito da un ricevitore GPS in doppia frequenza (IGOR. Integrated GPS Occultation Receiver). Il sistema GPS permette una determinazione dell’orbita con accuracy superiore ai 10 cm che permetterà un notevole miglioramento in termini di qualità delle immagini. IGOR inoltre è utilizzato per misurazioni sulla radio occultation nella atmosfera e nella ionosfera.

[modifica] TSX-SAR antenna

TSX-SAR è un radar ad apertura sintetica (SAR) costituito da un active phased array che lavora in banda-X; è disposto lungo la direzione dell’azimuth per 4,80 m per un’altezza 0,70m; è diviso in 3 moduli ognuno dei quali formato da 4 pannelli. I pannelli contengono 32 subarrays disposti orizzontalmenteognuno dei quali comprende un radiatore in guida d’onda per entrambi i tipi di polarizzazione HP e VP (Horizontal Polarization e Vertical Polarization). Tutti i 384 sub-arrays sono equipaggiati con modulo T/R (Trasmit/Receive) che permette il passaggio da un tipo all’altro di polarizzazione. In modalità toggle è possibile cambiare polarizzazione da impulso a impulso permettendo la acquisizione simultanea di un'immagine in due polarizzazioni. Il dispositivo ACE (Antenna Control Electronics) che controlla il SAR consente in trasmissione e ricezione un controllo in tempo reale della forma del fascio di illuminazione, del puntamento (± 0,75° in azimuth, ± 20° in altezza) e della polarizzazione. Per ogni tipo di irradiazione dell’antenna esiste una combinazione predefinita tra le 256 configurazioni in altezza e le 256 configurazioni in azimuth, il coefficiente di eccitazione risultante viene trasmesso ai moduli T/R. L’ACE è gestito dal CE (Control Electronics) che provvede allo svolgimento delle seguenti funzioni:

• Generazione e trasmissione delle segnale TX
• Ricezione e conversione A/D del segnale RX
• Buffering, compressione e formattazione dei dati SAR
• Controllo e sincronizzazione del SAR

Il segnale chirp trasmesso è prodotto da un generatore digitale che fa riferimento a 4 forme d’onda di lunghezza e banda (maggiore di 150Mhz) prestabilite conservate in memoria. È prevista in via sperimentale anche la generazione di 4 forme d’onda con banda maggiore di 300 MHz. In ricezione sono presenti tre filtri anti-aliasing con frequenza di campionamento di 110, 165, 330 MHz di cui uno solo viene selezionato.

carrier frequency	9.65 GHz
wavelength	3.1 cm
PRF	between 3.0 and 6.5 kHz
chirp bandwidth range	5 - 300 MHz, 150 MHz nominal, 300 MHz exp.
ADC sampling rates	330 MHz, 165 MHz, 110 MHz
radiated peak output power	2260 W
system noise figure	5 dB
look direction	right-looking nominal, left-looking exp.
mechanical offset angle (off nadir)	33.8°
antenna dimension in azimuth	4.784 m
azimuth beamwidth with uniform excitation	0.33°
antenna dimension in elevation	0.704 m
elevation beamwidth with uniform excitation	2.3°
number of T/R modules	384
number of rows in elevation	32
number of tiles in azimuth	12
scan angle azimuth (along-track)	± 0.75°
scan angle range (across-track)	± 19.2°
incidence angle access range	15° - 60°
absolute timing in azimuth (along track)	3.6 msec
absolute timing in range (across track)	63 nsec

[modifica] GROUND SEGMENT

Il ground segment della missione TerraSAR-X rappresenta l’elemento principale per il controllo e la gestione del satellite TSX; provvede alla calibrazione degli strumenti, all’archiviazione dei dati SAR e alla generazione e distribuzione dei prodotti ottenuti.

L’intero sistema di gestione è diviso tra il DLR e EADS Infoterra che si occupa della distribuzione commerciale dei prodotti SAR. Il DLR negli organi preposti:

• MOS (Mission Operations Segment), stazione di Weilheim, guidato dal GSOC (German Space Operation Center)
• IOCS (Instrument Operation and Calibration Segment) Oberpfaffenhofen, sviluppato dal Microwaves and Radar Institute (IHR)
• PGS (Payload Ground Segment), stazione di Neustrelitz, creato da German Remote Sensing Data Center (DFD) e dal Remote Sensing Technology Institute (IMF).

svolge le seguenti funzioni:

• pianificazione della missione
• controllo ed analisi dell’orbita
• telemetria del veicolo spaziale (in ricezione e trasmissione)
• ricezione e archiviazione dei dati,
• calibrazione e analisi delle prestazioni
• creazione e distribuzione dei prodotti per il settore scientifico

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