Il contributo dei radiotelescopi INAF al monitoraggiodei detriti spaziali e NEO: attività svolte e

prospettive future

Italian Workshop on Space Situational Awareness, ASI - Roma 9-10 Luglio 2012

S. Montebugnoli, E. Salerno

Il personale INAF impiegato nel progetto Detriti Spaziali

Stelio MontebugnoliSenior engineer - P.I.s.montebugnoli@ira.inaf.it

Emma SalernoRicercatrice post-doc esalerno@ira.inaf.it

Giuseppe PupilloRicercatore post-doc g.pupillo@isac.cnr.it

Germano BianchiIngegnere telecomunicazioni g.bianchi@ira.inaf.it

Giovanni NaldiIngegnere telecomunicazioni gnaldi@med.ira.inaf.it

Andrea MattanaIngegnere automazionia.mattana@med.ira.inaf.it

Marco BartoliniIngegnere informaticombartolini@med.ira.inaf.it

Marco SchiaffinoIngegnere meccanicom.schiaffino@ira.inaf.it

Nel 2001 presso la Stazione Radioastronomica di Medicina (INAF-IRA) nasce, il gruppo di ricerca “Space Debris” con lo scopo di utilizzare le facilities radioastronomiche dell'INAF per il monitoraggio e la caratterizzazione dell'ambiente detritico e l'osservazione dei NEO. Dal 2006 il gruppo partecipa al progetto ASI “Detriti Spaziali”.

La partecipazione di INAF al programma ASI “Detriti Spaziali'' ed osservazioni sperimentali di NEO

ATTIVITA' REALIZZATE

Sviluppo e utilizzo di hardware - utilizzo di radiotelescopi come Rx di radar bistatici- ottimizzazione della strumentazione INAF già esistente- sviluppo sistemi di acquisizione dati in real-time - test di detezione NEO in collaborazione con Goldstone (California)

Studio di tecniche osservative radar - studio e sviluppo di tecniche osservative radar bistatiche e quasi monostatiche

Sviluppo di software - software per il puntamento delle antenne- software per la post-elaborazione dei dati - costituzione di un Data Base preliminare dei dati osservativi

Attività osservative - pianificazione e realizzazione di sessioni osservative di detriti in LEO, MEO e GEO - pianificazione e realizzazione di osservazioni di NEO- Sessioni di validazione per SSA-ESA

Collaborazioni nazionali ed internazionali: campagne osservative in radar bistatico

Collaborazione Campagna Rx Tx Target

Italia-Ukraina INAF-ASI Medicina (Parab.) Evpatoria Detriti

Italia-Russia-Ukraina-Cina VLBR Medicina (Parab.) -

VLBR network Evpatoria Detriti

Italia - Ukraina INAF-ASIMedicina – Noto

(Parabole) Evpatoria Detriti

Italia – Russia (?) INAF-ASI Medicina (Parab.) -Ventspils Evpatoria Detriti

Italia - USA CNR -NASA Medicina (Parab.) Goldstone NEO

Test NazionaliProve di

puntamento e detezione

Medicina (Croce)Parabola 4

mt(radioamatore di Gorizia)

Detriti di grandi

dimens.

Sistema radar multistatico utilizzato da INAF per i Detriti Spaziali

Trasmettitore RicevitoriEvpatoria RT-70

UcrainaMedicina 32-m Noto 32-mBologna Siracusa

Diametro: 70 m Potenza Tx: 20-40 kWModulazione: CWPolarizzazione: RCPFrequenza: 5010.024 MHz

Diametro: 32 mTsys in banda C: 26 K (MC) - 30 K (NT)Polarizzazione: RCP - LCPFrequenza centrale (MC): 5010.020 MHzBandwidth: 500 KHz (sampling rate: 1 MHz)

Eco del detrito più piccolo osservato:Target 35716 (COSMOS 2251DEB)- 2010

RCS = 2 cm2

Bistatic Slant range = 2415.430 km

Risultati più significativi delle campagne osservative (SD)(ASI-INAF MedicinaEvpatoria f= 5 GHz)

Eco radar di un detrito non correlato registrato il 18/07/2007 alle 17:17:56 UT

Radar bistatico : Medicina – Evpatoriamodal: Beam-ParkCoordinates volume’s centroid: Alt = 875 km ; Lat = 47.800 deg ; Long = 21.172 deg

Diametro: 70 mPotenza Tx: 430 kWModulazione: CW Polarizzazione: RCPFrequenza: 8560.0 MHz (X-band)

Diametro: 32 mTsys in X band: 25 KPolarizzazione: RCP - LCPFrequenza centrale: 8560.0 MHzBandwidth: 500 KHz (sampling rate: 1 MHz)

DSS-14 Goldstone (California, US) Parabola di Medicina (Bologna)

Sistema radar bistatico utilizzato da INAF per i NEO

Risultati più significativi delle campagne osservative (NEO) (CNR-Medicina NASA-Goldstone)

Echo radar di 1998 WT 24con sistema di acquisizione MSpec0 @ 60 Hz di risoluzione

Di Martino et al., “Results of the first Italian planetary radar experiment”, Planet. Space Sci., 52, (2004)

Echo radar di 1998 WT 24 con sistema di acquisizione SERENDIP IV @ 0.7 Hz di risoluzione

Asteroide 1998 WT24:NEO = Asteroide 1998 WT24data osservazione = 16-17 / 12 / 2001distanza dalla Terra (16/12/2001) = 0.0125 UA = 1870000 kmdistanza dalla Terra (17/12/2001) = 0.0139 UA = 2079440 km

Potenzialità di INAF- Medicina in ambito SSA-ESALa Croce del Nord è uno dei più grandi array esistenti ed è costituito da 5632 dipoli installatisu 2.1 Km di linee focali. L'installazione di un Rx ogni 2 dipoli, consentirebbe di ottenere un radar bi/monostatico dalle prestazioni uniche (traiettoria di debris determinabile con unaaccuratezza di almeno ±2 arcmin su un FoV di 120 deg2). Duplicando la frequenza operativa (820 MHz) questa risulterebbe essere di ±1 arcmin.

Eco da NROL 21 illuminato con 300 W da Gorizia (antenna parabolica da 4 mt) rivelato con un settore di appena 40 m2 dei 27.000 m2 totali disponibili.

Diametero: 4 mtTx: 300 WModulatione: CWPolarizatione: RCPFrequenz: 409 MHz

(UHF-band)

Attualmente l'utilizzo di solo 1/8 del ramo N/S (già reingegnerizzato in ambito SKA) ci consente di determinare la traiettoria di un detrito con una accuratezza di almeno 45x15 arcmin su FoV di 30 deg2

Multibeaming (multipixel)

- Elevatissima sensibilità: 27.000 m2 area efficace- Ampio campo di vista: ~ 120 deg2

- Definizione molto accurata della traiettoria: 24.000 beams (pixel). - Back end: cluster di FPGA (Virtex 5 – 7) stima: centinaia di Tops/sec

L'utilizzo dell'intera Croce opportunamente reingnerizzata ci consentirebbe di determinare la traiettoria di un detrito con una accuratezza di almeno ±2 arcmin su un FoV di 120 deg2.

Con 10 KW (iUHF 410 MHz) la stima teorica della RCS min è di 130 cm2. Aumentado la frequenza a 830 MHz la stima teorica della RCS è di 30 cm2 (±1 arcmin)

- ASI: c'è stata una collaborazione per la parte ricerca statistica che potrebbe essere utile inquella deterministica di detriti in SSA (Medicina - Evpatoria)

- ESA nell'ambito di un programma di validazione di alcuni aspetti osservativi radar della Croce

- FGAN: sono in corso contatti per finalizzare test osservativi in banda L (Tira- Medicina) inprevisione di una probabile collaborazione.

- GOLDSTONE: Osservazioni radar di NEO in close approach

Collaborazioni Internazionali di INAF in ambito ASI-SSA

Per testare le capacità nazionali con assetti esistenti, verranno condotti entro l’estate 2012 alcuni test con un TX dell’aeronautica situata in Sardegna e la Croce del Nord (Medicina).

Questi test si inseriscono nelle attività dell’ Ufficio del Consigliere Militare della Presidenza del Consiglio dei Ministri che hanno come oggetto la Policy nazionale nel settore dello Space Situational Awareness (SSA).

Collaborazioni in corso- Università di Roma/ Bologna (Prof. Piergentili)- CNR di Pisa (Dr. L. Anselmo)- Politecnico di Milano (gruppo Prof. Lavagna)

L'esperienza acquisita nell'ambito della ricerca statistica di detriti spaziali (programma ASI 2006-2010) costituisce un aspetto fondamentale per quella deterministica di detriti in SSA .

Le grandi potenzialità a livello di alta sensibilità ed accuratezza nella determinazione delle traiettorie e possibilità di acquisire gli stessi oggetti più di una volta, fa della Croce del Nord un sensore unico per le sue caratteristiche nel campo dei radar per SSA.

Conclusioni

Percentuale di oggetti del catalogo NORAD che attraversano il campo di vista della “Croce del Nord” in funzione del tempo di

osservazione (strumento di transito)

APPENDICE

Vantaggi:

-Elevata sesibilità in LEO-Possibilità di operare 24 ore al giorno-Indipendenza dalle condizioni meteo-Indipendenza dalla illuminazione solare del target-Ampio campo di vista-Possibilità di misurare la posizione del target all’interno del FoV con precisione di almeno +/- 2 arcmin (+/- 1 arcmin) in azimut ed elevazione e quindi capacità di determinare, con la stessa precisionie, la traiettoria del target proiettata sul piano perpendicolare alla linea di vista-Possibilità di misurare range e range/rate del target all’interno del FoV per ogni impulso ricevuto (monostatico)

Svantaggi

-Impossibilità di effetttuare tracking all’esterno del campo di vista-Limitazione del puntamento solo lungo il meridiano (azimut da 0 a 180 gradi) ed entro un determinato intervallo di angolo di elevazione