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
http://www.skyrocket.de/space/
F. Colone, D. Pastina
 Copertura a livello globale, con
particolare riferimento all’area del
Mediterraneo
 Sistema tecnologicamente avanzato e
competitivo rispetto allo scenario
internazionale
Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed
2
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
http://www.radarsolutions.
dera.gov.uk/radarsat2.html
- 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.skyrocket.de/space/
F. Colone, D. Pastina
Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed
3
COSMO-SkyMed: orbita e geometria operativa
Altezza nominale dell’ orbita
Inclinazione
Tipo di orbita
Eccentricità
Perigeo
Rivoluzioni/giorno
Tempo di rivisita
Tempo di risposta
Accessibilità
Massa al lancio
Dimensioni del satellite
619 Km (orbita LEO)
97.86°
Sun-syncronous
0.00118
90°
14.8125
da 6 a 12 ore
< 24 ore
90° latitudine
1734 Kg
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
4
COSMO-SkyMed: il radar
Frequenza portante
Banda del chirp
Figura di rumore del sistema
PRF
Direzione di puntamento
Zona di accesso (angoli di incidenza)
Potenza di picco
Lunghezza dell’ impulso
Quantità di immagini giornaliere
Dimensioni delle immagini
Risoluzione
F. Colone, D. Pastina
9.6 GHz (Banda X)
< 400 MHz
6 dB
2000 – 4500 Hz
Lato destro e sinistro
25°  57° (~590 Km)
5 KW
< 80 μsec
450 per satellite
da 1010 a 200200 Km2
da sub-metrica a 100m
Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed
5
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
6
COSMO-SkyMed: modi operativi
StripMap
HIMAGE
Single
ScanSar
polarization WIDEREGION
(HH,VV,HV ScanSar
or VH)
HUGEREGION
SpotLight
SPOT#2
Dual
StripMap
polarization PINGPONG
Dimensione Area
Risoluzione
Range angoli di
Immagini
swath
d’accesso
Rng x Az
incidenza (deg)
al giorno
(Km)
(Km)
(m)
da 3  3
>40
>600 Km
375
20  59.5
a 15 15
100
>600 Km
20  59.5
30  30
150
200
>600 Km
20  59.5
100  100
75
10
>600 Km
20  59.5
11
75
>30
>600 Km
20  59.5
15  15
375
StripMap
ScanSAR
F. Colone, D. Pastina
Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed
7
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
8
Risoluzione
Risoluzione cross-track (in range)
rg 
rs
sin  i 
rs
(risoluzione in ground  costante
su tutta la zona di accesso)
c
Bs  c 
(banda del chirp trasmesso
2rs 2rg sin  i  variabile sulla zona di accesso)
i
rg
Risoluzione along-track (modo StripMap)
spostamento
along-track
Tutto va come se avessi
un’antenna di dimensione LSAR
 SAR   / LSAR   A
…ma l’aumento di A comporta:
rSAR  R SAR  rA
 Riduzione della sensibilità
(guadagno di antenna ridotto)
 Aumento della PRF
 A    rA  R A
(campionamento corretto della
banda del segnale ricevuto)
LA
F. Colone, D. Pastina
Si vuole LSAR il più grande
possibile  limite legato a A
Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed
9
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)
off
E’ limitata da
 dimensione del fascio in elevazione A  trade-off tra
swath e sensibilità (fascio allargato  perdita di direttività)
Rs
H
 PRF  trade-off tra swath e risoluzione along-track
i
Rg
t  2 R  t FAR  t NEAR  2 Rs FAR  Rs NEAR   2 Rs  T 
c
c
Rs  c 
1  

2  PRF

c
T=1/PRF

Si lavora in ambiguità:
m = ordine di ambiguità
mT=m/PRF
F. Colone, D. Pastina
Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed
10
Geometria di Terra sferica
Applicando il Teorema dei Seni, si ha:
Re
R
H  Re
 s 
sin off sin e sin   i 
sin off
R sin i
 e
H  Re
 off

 sin
i
 arcsin 
 1 H
 R

e






Applicando il Teorema delle Proiezioni, si ha:
off
Rs
H
2


H H 


Rs  Re  cos 2  i  2     cos  i 
Re  Re 


Rs   H  Re cos off  Re cos   i 
i
Applicando il Teorema del Coseno, si ha:
Rg
Rs2   Re  H 2  Re2  2 Re  Re  H cos e
Re

H 
 1
 1 
 Re 
2
cos e 
Rs2   Re  H  2  Re2

 2 Re  Re  H 
Rs2
Re2



Re
H 

2 1 

 Re 
  H  2 Rs2
  2
1  1 
Re
  Re 
R g  Re e  Re arccos 
 H 

21 


 Re 
F. Colone, D. Pastina
e






Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed
11
Copertura della zona di accesso (1/3)
Condizioni sulla PRF
1) Condizione di non ambiguità dello swath
t NEAR
 m 
PRF
PRF 
t FAR   m 1
PRF
T=1/PRF

m
t NEAR 
tNEAR tFAR
mT=m/PRF
PRF  m 1
t FAR 
2) Condizione per l’ALE (Altitude Line Echo)
t NEAR  l  2 H 
PRF
c
t FAR   l 1  2 H
PRF
PRF 
c
l
t NEAR  2 H 
c
PRF 
l 1
t FAR  2 H 
c
PRF  k c
2H
Rs
H
i
Rg
2H/c
F. Colone, D. Pastina
lT=l/PRF
tNEAR tFAR
Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed
12
Copertura della zona di accesso (2/3)
=40 s
H=619 km
a) Condizione non
ambiguità
b) Condizione ALE
(a)
(b)
(c)
(d)
c) Non-ambiguità +
ALE
d) PRF=k(c/2H)
F. Colone, D. Pastina
Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed
13
Copertura della zona di accesso (3/3)
La zona di accesso viene ‘coperta’
utilizzando un’opportuna scelta di
fasci (Beams)
Angolo di off nadir
Angolo di incidenza
Angolo al centro
Slant range
Ground range
Swath width
Apertura del fascio
Swath piccoli
N° di fasci elevato
Beam Esempio
K = 15
M = 19
PRF = 3632,380
Min
Mid
Max
deg 36,375 37,517 38,616
deg 40,589 41,920 43,209
deg 4,214 4,404
4,593
km 790,213 804,145 818,437
km 469,074 490,202 511,329
km
42,255
deg
2,241
Copertura
con pochi fasci
F. Colone, D. Pastina
Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed
14
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
Pt GAe
S 
Bs 
  
2
2
 N r
4R
kT0 Bs FLatm


Rapporto di
compressione
(chirp)
G  Ae 42

Distanza in
slant
Potenza di
rumore
Pt G 2 2
S
Bs 
  
3 4
 N  r 4  R kT0 Bs FLatm
Perdite di
propagazione
nell’atmosfera
Per un bersaglio esteso si pone:
   0  A patch   0 
Riflettività
superficiale
F. Colone, D. Pastina
c
 R
2 Bs sini L
FoV azimuth
Risoluzione in
range (FoV range)
Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed
15
Sensibilità (2/2)
Esempio di calcolo del (S/N) per
un fascio al centro della zona di
accesso:
Angolo di off nadir
Angolo di incidenza
Angolo al centro
Slant range
Ground range
Swath width
Apertura del fascio
Beam Esempio
K = 15
M = 19
PRF = 3632,380
Min
Mid
Max
deg 36,375 37,517 38,616
deg 40,589 41,920 43,209
deg 4,214 4,404
4,593
km 790,213 804,145 818,437
km 469,074 490,202 511,329
km
42,255
deg
2,241
+dB
Potenza di picco (P p)
Antenna gain (G)
Carrier freq.
Light speed
Wave length (
TX pulse lenght ()
Ground range resolution
Bandwidth (B s )
5
45,00
9,6
299792458
0,0312
40
2,7
85,33
Compression gain (Bs )
3413,14
3
(4)
Range (R)
Atmosphere losses (Latm )
Boltzmann (k)
Temperature (T0)
Noise Figure
Noise power (N)
1984,40
800
0,22
1,38E-23
290
6
1,36E-06
Target parameters
Radar Cross Section ()
Riflettività (0)
FoV range
FoV azimuth
Radar Cross Section ()
F. Colone, D. Pastina
Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed
kW
dB
GHz
m/s
m
sec
m
MHz
36,99
90,00
-30,11
35,33
km
dB
J/K
K
dB
W
100 m2
-13
2,7
4461,2
27,81
-dB
32,98
236,12
0,22
-118,67
20,00
SNR (dB) = 1,56
dB/m2
m
m
dB
27,81
SNR (dB) = 9,37
16
Disponibilità del prodotto (1/2)
Plan and
schedule
Satellite
visibility
Programming delay
Contact between satellite and
data acquisition station
Access delay
Product
availability to
user
Data downlink
Imaging
Commands
up-link
Commands
availability at
TT&C site
User Request
Reception
Tempo di risposta (dal deposito della richiesta fino al rilascio del prodotto all’utente)
 da 18 a 72 ore
Processing &
delivering
Information age
Imaging delay
System Response Time
F. Colone, D. Pastina
Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed
17
Disponibilità del prodotto (2/2)
Transmit frequency
Transmission data-rate
155Mbps
EIRP
>22dBW
Modulation scheme
DE-QPSK
BER
Space segment
8120MHz42.5MHz
X-Band
data
downlink
<10-6 (Eb/N0>10.78
dB)
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
18
Data-rate (1/2)
DOWN
CONVERTER
A/D
CONVERTER
SAMPLING
UNIT
LPF
40Mhz
75Mhz
120Mhz
160 Mhz
fcamp =
da 93.75Mhz a
187.5Mhz
a passo 3.75Mhz
(OVS=1.25)
RX Window Length  2
c
SWL  RX Window Length f camp
PDHT
(Payload Data
Handling and
Transmission)
8I+8Q bit
+ compressione
BAQ (8:3,8:4)
f camp  Bs  f camp  OVS  Bs
Rs _ MAX  Rs _min 
MUX
Flusso dei dati nel ricevitore di COSMO-SkyMed:
T=1/PRF


RX WL
Sample Rate  SWL  SWL  PRF
T
Tempo
disponibile per
il trasferimento
al PDHT
Data Rate  Sample Ratenbit
F. Colone, D. Pastina
Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed
19
Data-rate (2/2)
Esempio di calcolo
del data-rate per un
fascio al centro della
zona di accesso:
INPUT
Velocità della luce (m/s)
Raggio della Terra (m)
Altezza della piattaforma (m)
Ground resolution (m)
Pulse Lenght (u-sec)
Filtri (MHz)
Oversampling factor
Sampling clock step (MHz)
Numero di bit x campione (I+Q)
F. Colone, D. Pastina
299792458
6378137
619000
2,7
40
40
75
120
160
1,25
3,75
6
Angolo di off nadir
Angolo di incidenza
Angolo al centro
Slant range
Ground range
Swath width
Apertura del fascio
Bandwidth
deg
deg
deg
km
km
km
deg
MHz
Beam Esempio
K = 15
M = 19
PRF = 3632,380
Min
Mid
Max
36,375 37,517 38,616
40,589 41,920 43,209
4,214
4,404
4,593
790,213 804,145 818,437
469,074 490,202 511,329
42,255
2,241
85,33
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
120
108,75
275,302
82,924
228,291
41,004
24827
90,181
Number of bits
per sample (I+Q)
Data Rate
6
541,087
Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed
Mbit/sec
20