Il contributo dei radiotelescopi al monitoraggio dei detriti spaziali e

Il contributo dei radiotelescopi INAF al monitoraggio
dei detriti spaziali e NEO: attività svolte e
prospettive future
S. Montebugnoli, E. Salerno
Italian Workshop on Space Situational Awareness, ASI - Roma 9-10 Luglio 2012
Il personale INAF impiegato nel progetto Detriti Spaziali
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”.
Stelio Montebugnoli
Senior engineer - P.I.
[email protected]
Giuseppe Pupillo
Ricercatore post-doc
[email protected]
Emma Salerno
Ricercatrice post-doc
[email protected]
Germano Bianchi
Ingegnere telecomunicazioni
[email protected]
Giovanni Naldi
Ingegnere telecomunicazioni
[email protected]
Andrea Mattana
Ingegnere automazioni
[email protected]
Marco Bartolini
Ingegnere informatico
[email protected]
Marco Schiaffino
Ingegnere meccanico
[email protected]
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-RussiaUkraina-Cina
VLBR
Medicina (Parab.) VLBR network
Evpatoria
Detriti
Italia - Ukraina
INAF-ASI
Medicina – Noto
(Parabole)
Evpatoria
Detriti
Italia – Russia (?)
INAF-ASI
Medicina (Parab.) Ventspils
Evpatoria
Detriti
Italia - USA
CNR NASA
Medicina (Parab.)
Goldstone
NEO
Test Nazionali
Prove di
puntamento
e detezione
Medicina (Croce)
Parabola 4
mt(radioamator
e di Gorizia)
Detriti di
grandi
dimens.
Sistema radar multistatico utilizzato da INAF
per i Detriti Spaziali
Trasmettitore
Evpatoria RT-70
Ucraina
Diametro: 70 m
Potenza Tx: 20-40 kW
Modulazione: CW
Polarizzazione: RCP
Frequenza: 5010.024 MHz
Ricevitori
Medicina 32-m
Bologna
Noto 32-m
Siracusa
Diametro: 32 m
Tsys in banda C: 26 K (MC) - 30 K (NT)
Polarizzazione: RCP - LCP
Frequenza centrale (MC): 5010.020 MHz
Bandwidth: 500 KHz (sampling rate: 1 MHz)
Risultati più significativi delle campagne osservative (SD)
(ASI-INAF MedicinaEvpatoria f= 5 GHz)
Eco del detrito più piccolo
osservato:
Target 35716 (COSMOS 2251DEB)
- 2010
RCS = 2 cm2
Bistatic Slant range = 2415.430 km
Eco radar di un detrito non correlato registrato il 18/07/2007 alle 17:17:56 UT
Radar bistatico : Medicina – Evpatoria
modal: Beam-Park
Coordinates volume’s centroid: Alt = 875 km ; Lat = 47.800 deg ; Long = 21.172 deg
Sistema radar bistatico utilizzato da INAF per i NEO
DSS-14 Goldstone (California, US)
Diametro: 70 m
Potenza Tx: 430 kW
Modulazione: CW
Polarizzazione: RCP
Frequenza: 8560.0 MHz (X-band)
Parabola di Medicina (Bologna)
Diametro: 32 m
Tsys in X band: 25 K
Polarizzazione: RCP - LCP
Frequenza centrale: 8560.0 MHz
Bandwidth: 500 KHz
(sampling rate: 1 MHz)
Risultati più significativi delle campagne osservative (NEO)
(CNR-Medicina NASA-Goldstone)
Asteroide 1998 WT24:
NEO = Asteroide 1998 WT24
data osservazione = 16-17 / 12 /
2001
distanza dalla Terra (16/12/2001) =
0.0125 UA = 1870000 km
distanza dalla Terra (17/12/2001) =
0.0139 UA = 2079440 km
Echo radar di 1998 WT 24
con sistema di acquisizione MSpec0
@ 60 Hz di risoluzione
Echo radar di 1998 WT 24 con sistema di
acquisizione SERENDIP IV @ 0.7 Hz di
risoluzione
Di Martino et al., “Results of the first Italian
planetary radar experiment”, Planet. Space
Sci., 52, (2004)
Potenzialità di INAF- Medicina in ambito SSA-ESA
La Croce del Nord è uno dei più grandi array esistenti ed è costituito da 5632 dipoli installati
su 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 una
accuratezza 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 mt
Tx: 300 W
Modulatione: CW
Polarizatione: RCP
Frequenz: 409 MHz
(UHF-band)
Multibeaming (multipixel)
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
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)
-
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
Collaborazioni Internazionali di INAF in ambito ASI-SSA
- ASI: c'è stata una collaborazione per la parte ricerca statistica che potrebbe essere utile in
quella 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) in
previsione di una probabile collaborazione.
- GOLDSTONE: Osservazioni radar di NEO in close approach
Collaborazioni in corso
- Università di Roma/ Bologna (Prof. Piergentili)
- CNR di Pisa (Dr. L. Anselmo)
- Politecnico di Milano (gruppo Prof. Lavagna)
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).
Conclusioni
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.
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