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

Un esempio di Space-Based Un esempio di Space-Based

Radar:Radar:

COSMO-SkyMedCOSMO-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”

F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 2

COSMO-SkyMed: la missioneCOSMO-SkyMed: la missione

COnstellation of Small Satellite COnstellation of Small Satellite for Mediterranean basin for Mediterranean basin

ObservationObservation

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/


COSMO-SkyMed: i competitorsCOSMO-SkyMed: i competitors

Esistono due SAR space-borne con caratteristiche competitive rispetto a COSMO-

SkyMed

TERRASAR-TERRASAR-XX

RADARSAT-RADARSAT-22- 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/


COSMO-SkyMed: orbita e geometria COSMO-SkyMed: orbita e geometria operativaoperativa

Altezza nominale dell’ orbita 619 Km (orbita LEO)Inclinazione 97.86°Tipo di orbita Sun-syncronousEccentricità 0.00118

Perigeo 90°Rivoluzioni/giorno 14.8125Tempo di rivisita da 6 a 12 ore

Tempo di risposta < 24 oreAccessibilità 90° latitudine

Massa al lancio 1734 Kg

Dimensioni del satellite3.4 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.


COSMO-SkyMed: il radarCOSMO-SkyMed: il radar

Frequenza portante 9.6 GHz (Banda X)Banda del chirp < 400 MHz

Figura di rumore del sistema 6 dBPRF 2000 – 4500 Hz

Direzione di puntamento Lato destro e sinistroZona di accesso (angoli di incidenza) 25° 57° (~590 Km)

Potenza di picco 5 KWLunghezza dell’ impulso < 80 μsec

Quantità di immagini giornaliere 450 per satelliteDimensioni delle immagini da 1010 a 200200 Km2

Risoluzione da sub-metrica a 100m


COSMO-SkyMed: l’antennaCOSMO-SkyMed: l’antenna

Electrical Panel Tile

Tile #1

Tile #2

Tile #8

Lateral MechanicalPanel

Lateral MechanicalPanel

Central Mechanical

Panel

da Workshop Unità Tecnologica Payload RADAR, Roma 18/02/2003, ing. F. Caltagirone

http://www.asi.it/html/ita/news/Presentazione 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 azimuth 0.3 deg

Angolo di puntamento fisico dell'antenna in elevazione 33.5 deg

Peso 450 Kg

Puntamento meccanico il elevazione 5 deg

Phased array attivo di forma rettangolare

3 pannelli meccanici, 5 pannelli elettrici

Polarizzazioni H e V


COSMO-SkyMed: modi operativiCOSMO-SkyMed: modi operativi

Dimensione swath(Km)

Aread’access

o (Km)

Range angoli di

incidenza (deg)

Risoluzione

Rng x Az(m)

Immagini al giorno

Single polarization (HH,VV,HV

or VH)

StripMapHIMAGE

>40 >600 Km 20 59.5da 3 3 a 15 15

375

ScanSarWIDEREGION

100 >600 Km 20 59.5 30 30 150

ScanSarHUGEREGION

200 >600 Km 20 59.5 100 100 75

SpotLightSPOT#2

10 >600 Km 20 59.5 1 1 75

Dual polarization

StripMapPINGPONG

>30 >600 Km 20 59.5 15 15 375

StripMap

ScanSAR


COSMO-SkyMed: le applicazioniCOSMO-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)


RisoluzioneRisoluzione

Risoluzione cross-track (in Risoluzione cross-track (in range)range)

Risoluzione along-track (modo Risoluzione along-track (modo StripMap)StripMap)

i

sg sin

rr

igss

sinrc

rcB

22

(risoluzione in ground costante su tutta la zona di accesso)

(banda del chirp trasmesso variabile sulla zona di accesso)

spost

am

en

to

alo

ng-t

rack

ASARSAR

ASARSAR

rRr

L/

AAA

A RrL

Tutto va come se avessi un’antenna di dimensione LSAR

rs

rg

i

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)


Dimensione dell’area Dimensione dell’area osservataosservata

Dimensione along-track (modo Dimensione along-track (modo StripMap)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 Dimensione cross-track (swath in range)in range)

RsH

i

off

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

Si lavora in ambiguità:m = ordine di ambiguità

PRFcR

TRc

RRc

ttcRt

s

sNEARsFARsNEARFAR

12

222

T=1/PRF

mT=m/PRF


Geometria di Terra sfericaGeometria di Terra sferica

Rs

Re

Re

H

i

off

Rg

e

i

e

e

s

off

e

sinRH

sinR

sinR

e

ieoff RH

sinRsin

e

ioff

RH

sinarcsin

1

Applicando il Teorema dei Seni, si ha:

Applicando il Teorema delle Proiezioni, si ha:

ieoffes cosRcosRHR

i

eeies cos

RH

RH

cosRR 2

2 2

Applicando il Teorema del Coseno, si ha:

eeeees cosHRRRHRR 2222

e

e

s

e

ee

eese

RH

R

RRH

HRRRHRR

cos12

11

2

2

22

222

e

e

s

eeeeg

RH

R

RRH

arccosRRR12

112

22


Copertura della zona di Copertura della zona di accesso (1/3)accesso (1/3)

NEARtmPRF

FARtmPRF 1

PRF

mtNEAR

PRFmtFAR

1

T=1/PRF

mT=m/PRF tNEAR tFAR

Condizioni sulla PRFCondizioni sulla PRF

1) Condizione di non ambiguità dello swath

2) Condizione per l’ALE (Altitude Line Echo)

RsH

i

Rg

cHt

lPRFNEAR

2

cH

PRFltFAR

21

cH

PRFltNEAR

2

cHt

lPRFFAR

21

lT=l/PRF tNEAR tFAR2H/c

HckPRF

2



(a) (b)

(c) (d)

=40 sH=619 km

a) Condizione non ambiguità

b) Condizione ALE

c) Non-ambiguità + ALE

d) PRF=k(c/2H)



Swath piccoliN° di fasci elevato

Coperturacon pochi fasci

La zona di accesso viene ‘coperta’ utilizzando un’opportuna scelta di fasci (Beams)

Beam Esempio K = 15 M = 19 PRF = 3632,380

Min Mid MaxAngolo di off nadir deg 36,375 37,517 38,616Angolo di incidenza deg 40,589 41,920 43,209Angolo al centro deg 4,214 4,404 4,593

Slant range km790,21

3804,14

5818,437

Ground range km469,07

4490,20

2511,329

Swath width km 42,255Apertura del fascio deg 2,241


Sensibilità (1/2)Sensibilità (1/2)

satms

t

r

BFLBkTR

GP

NS

043

22

4

s

atms

et

r

BFLBkTR

GAP

NS

0224

Potenza di picco trasmessa

Guadagno d’antenna Area equivalente

d’antenna

RCS del bersaglio

Distanza in slant Potenza

di rumorePerdite 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):

24

eAG

Per un bersaglio esteso si pone:

LR

sinBcA

ispatch

2

00

Riflettivitàsuperficiale

Risoluzione in range (FoV

range)

FoV azimuth


Sensibilità (2/2)Sensibilità (2/2)

+dB -dB

Potenza di picco (Pp) 5 kW 36,99

Antenna gain (G) 45,00 dB 90,00Carrier freq. 9,6 GHzLight speed 299792458 m/sWave length ( 0,0312 m -30,11TX pulse lenght () 40 secGround range resolution 2,7 m

Bandwidth (Bs) 85,33 MHz

Compression gain (Bs) 3413,14 35,33

(4)3 1984,40 32,98Range (R) 800 km 236,12

Atmosphere losses (Latm) 0,22 dB 0,22

Boltzmann (k) 1,38E-23 J/K

Temperature (T0) 290 K

Noise Figure 6 dBNoise power (N) 1,36E-06 W -118,67

Target parameters

Radar Cross Section () 100 m2 20,00SNR (dB) = 1,56

Riflettività (0) -13 dB/m2

FoV range 2,7 mFoV azimuth 4461,2 mRadar Cross Section () 27,81 dB 27,81

SNR (dB) = 9,37

Beam Esempio K = 15 M = 19 PRF = 3632,380

Min Mid MaxAngolo di off nadir deg 36,375 37,517 38,616Angolo di incidenza deg 40,589 41,920 43,209Angolo al centro deg 4,214 4,404 4,593

Slant range km790,21

3804,14

5818,437

Ground range km469,07

4490,20

2511,329

Swath width km 42,255Apertura del fascio deg 2,241

Esempio di calcolo del (S/N) per un fascio al centro della zona di accesso:


Disponibilità del prodotto Disponibilità del prodotto (1/2)(1/2)

Tempo di risposta (dal deposito della richiesta fino al rilascio del prodotto all’utente) da 18 a 72 ore

System Response Time

Use

r R

equest

R

ece

pti

on

Com

mands

availa

bili

ty

at

TT&

C s

ite

Com

mands

up-l

ink

Imagin

g

Data

dow

n-

link

Pro

duct

availa

bili

ty

to u

ser

Programming delay Access delay Information age

Imaging delay

Processing &

delivering

Contact between satellite and data acquisition station

Plan and

schedule

Satellite

visibility


Disponibilità del prodotto Disponibilità del prodotto (2/2)(2/2)

Ground segmentSatellite control center

FucinoMission planningRoma

Civil data processingMatera

+altre stazioni fisse e mobili…

Space segmentX-Band

data downlink

S-Band downlink/uplink

Transmit frequency 8120MHz42.5MHzTransmission data-rate

155Mbps

EIRP >22dBWModulation scheme DE-QPSKBER <10-6 (Eb/N0>10.78

dB)

On-board data-rate fino a 600Mbps! memoria abordo di 320 Gbit


Data-rate (1/2)Data-rate (1/2)

DOWN CONVERTER

SAMPLING UNIT

LPF

A/D CONVERTER

MU

X

fcamp = da 93.75Mhz a

187.5Mhz a passo 3.75Mhz

(OVS=1.25)

40Mhz75Mhz120Mhz160 Mhz

8I+8Q bit+

compressione BAQ (8:3,8:4)

PDHT(Payload

Data Handling

and Transmission

)

scampscamp BOVSfBf

Flusso dei dati nel ricevitore di COSMO-SkyMed:

c

RRLengthWindowRX

min_sMAX_s2

PRFSWLT

SWLRateSample

bitnRateSampleRateData

campfLengthWindowRXSWL

T=1/PRF

RX WLTempo

disponibile per il

trasferimento al PDHT


Data-rate (2/2)Data-rate (2/2)

Esempio di calcolo del data-rate per un fascio al centro della zona di accesso:

Velocità della luce (m/s) 299792458

Raggio della Terra (m) 6378137

Altezza della piattaforma (m) 619000 K =

Ground resolution (m) 2,7 M =

Pulse Lenght (u-sec) 40 PRF =

Min Mid Max

Angolo di off nadir deg 36,375 37,517 38,616

Filtri (MHz) 40 Angolo di incidenza deg 40,589 41,920 43,209

75 Angolo al centro deg 4,214 4,404 4,593

120 Slant range km 790,213 804,145 818,437

160 Ground range km 469,074 490,202 511,329

Oversampling factor 1,25 Swath width km

Sampling clock step (MHz) 3,75 Apertura del fascio deg

Numero di bit x campione (I+Q) 6 Bandwidth MHz

Filter Bandwidth MHz

Sampling Frequency MHz

PRI u-sec

Rx duty cycle %

Rx Window Length u-sec

SW start time u-sec

SWL sample

Sample Rate Msample/sec

Number of bits

per sample (I+Q)

Data Rate Mbit/sec

24827

85,33

120

541,087

6

108,75

275,302

82,924

228,291

41,004

90,181

INPUT

Beam Esempio

15

19

3632,380

42,255

2,241

Documents

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