Un esempio di Space-Based Radar: COSMO-SkyMed Fabiola Colone, Debora Pastina Corso di Laurea...
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Transcript of Un esempio di Space-Based Radar: COSMO-SkyMed Fabiola Colone, Debora Pastina Corso di Laurea...
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/
F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 3
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/
F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 4
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.
F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 5
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
F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 6
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
F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 7
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
F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 8
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)
F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 9
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)
F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 10
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
F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 11
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
F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 12
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
F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 13
Copertura della zona di Copertura della zona di accesso (2/3)accesso (2/3)
(a) (b)
(c) (d)
=40 sH=619 km
a) Condizione non ambiguità
b) Condizione ALE
c) Non-ambiguità + ALE
d) PRF=k(c/2H)
F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 14
Copertura della zona di Copertura della zona di accesso (3/3)accesso (3/3)
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
F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 15
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
F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 16
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:
F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 17
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
F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 18
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
F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 19
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
F. Colone, D. Pastina Un esempio di SBR: COSMO-SkyMed 20
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