Nuove Prospettive Tecnologiche e di Servizio per l'Aerospazio - Ing. Giovanni Nicolai

Nuove Prospettive Tecnologiche e
  di Servizio per l’Aerospazio

                           Ing. Giovanni Nicolai
                         Presidente Commissione Aerospazio
                         Ordine Ingegneri Provincia di Roma

    Seminario - La Scienza senza Barriere – dallo Spazio alla Rete – 24 Gennaio 2018   1 di 24

Argomenti Trattati
1. Generalità sugli Small-Sat (Piccoli Satelliti)
   Evoluzione
   Caratteristiche Orbitali
   Stato dell’Arte e Sviluppi Futuri
   Standardizzazione Nano Satelliti
   Cube-Sat
   Servizi Applicabili
2. Sviluppo Tecnologie per gli Small-Sat
   Tecnologie a RadioFrequenza
   Esempi di Payload Micro-NanoSat
   Tecnologie Digitali
3. Integrazione con la Rete Terrestre
   Architettura di Rete
   Sviluppo Servizi
   Costellazioni Cubesat
   Futuro della Tecnologia Cubesat

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1. GENERALITÀ SUGLI SMALL-SAT
I progressi nella tecnologia hanno spinto la comunità spaziale a concentrarsi sulla
miniaturizzazione dei satelliti convenzionali, rendendo i piccoli satelliti sempre più
popolari ogni giorno. Negli ultimi anni sono stati lanciati diversi piccoli satelliti
(nano,micro e mini) la cui classificazione è mostrata nella figura.
Queste piccole missioni sono attraenti a causa della loro riduzione di budget e tempi
di sviluppo.

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Evoluzione degli Small-Sat
• Il termine piccolo satellite non implica unicamente il satellite educativo o
  ricreativo ma si estende a prospettive commerciali e di business per un gran
  numero di industrie e grandi aziende di servizio tra cui Google e Space X (azienda
  di trasporto aerospaziale).

• La diffusione dei piccoli satelliti, unitamente al miglioramento tecnologico dei
  payload e alla miniaturizzazione dei satelliti, ha aperto nuove opportunità
  commerciali per i servizi di Telecomunicazione e Osservazione della Terra.

• Contrariamente alla loro dimensione, la quantità di dati acquisita da questi
  piccoli satelliti è grande e sempre crescente. I sistemi esistenti di aggregazione
  dei dati come Copernicus o GEOSS beneficeranno direttamente di un aumento
  dei dati dalla capacità di trasmissione dei micro-satelliti.

• Ciò avrà un impatto sulla quantità di dati disponibili per alcune applicazioni
  come il cambiamento climatico, il monitoraggio delle risorse agricole e
  dell'inquinamento.

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Caratteristiche Orbitali degli Small-Sat
• I piccoli satelliti sono dislocati su orbite basse LEO (Low Earth Orbit) tra 400 Km e
  800 Km rispetto alla superficie terrestre ed hanno un tempo di visibilità dalla
  stazione di terra ricevente dell'ordine di 8-15 minuti su un arco da 5° a 175°.
• In questo breve periodo, tutte le informazioni raccolte lungo un'orbita piena
  devono essere scaricate alla stazione di terra. Il collo di bottiglia di questo
  sistema è la velocità con cui i dati raccolti vengono trasmessi al recettore del
  segmento del terreno.

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Stato dell’Arte e Sviluppi Futuri
• La Bit Rate di trasmissione massima raggiunta ad oggi da queste missioni di
  nano e micro satelliti è di circa 100 Mbps. La frequenza più utilizzata per la
  trasmissione dei dati è la banda X a 7-8 GHz mentre la banda S è stata
  normalmente utilizzata per telemetria/telecomando (TT&C Telemetry Telecommand and
  Control) e per il controllo di assetto (AOCS Attitude and Orbit Control System).
• Quindi c’è grande sviluppo di tecnologie COTS (Commercial Off The Shelf) per
  aumentare la capacità di trasmissione fino a 500-1000 Mbps anche a bordo di tali
  piccoli satelliti mediante:
    Standardizzazione di Nano satelliti;
    Utilizzo di bande di frequenza meno affollate quale la banda Ka (26 GHz) e
       tecnologie SDR (Software Defined Radio);
    Utilizzo di tecnologie fotoniche per l’elaborazione a bordo del segnale e di
       sistemi di trasmissione ottica del segnale;
    Utilizzo di HW COTS
    Utilizzo di Architetture Riconfigurabili SDR
    Utilizzo di sensori/telecamere ad alta definizione.

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Standardizzazione dei Nano Satelliti
• Proprio come gli smartphone, i satelliti stanno diventando sempre più piccoli e migliori. I
  Nanosatelliti oggi possono fare quasi tutto ciò che un satellite convenzionale fa, e anche a
  una frazione del costo.
• Nessuno contesta il fatto che i piccoli satelliti non possono sostituire i più grandi satelliti
  convenzionali GEO (Geosynchronous Earth Orbit) ma organizzazioni governative e start-up
  stanno cercando di ottenere un pezzo della torta anche con satelliti di piccole dimensioni
  per servizi diversificati.
• Solo nel 2016 sono stati lanciati circa 300 satelliti con peso compreso tra 1 e 50 kg.
• La realizzazione ed il successo di satelliti basati su componenti commerciali è un primo
  indizio comunque della necessità di un cambio di tecnologie. Le varie iniziative private
  negli Stati Uniti, tese sia a ridurre drasticamente il costo di lancio dei satelliti che a
  diminuirne il costo del ciclo di vita, hanno portato alla standardizzazione dei satelliti
  CubeSat che rientrano nella tipologia dei NanoSat .

                                                                              Struttura di un CubeSat
                                                                                  di 1 Unità (1U)

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CubeSat Standard
Il breve tempo che passa dal progetto alla realizzazione di un micro satellite consente di
utilizzare componenti e carichi utili allo stato dell’arte. Inoltre la standardizzazione, in
particolare nella classe Cubesat, ha prodotto due grandi vantaggi: innanzitutto l’esistenza di
una vasta comunità di operatori che lavora sulla stessa piattaforma e affronta problemi simili
offrendo soluzioni che vengono ampiamente condivise via web.

Un secondo vantaggio è che la standardizzazione ha prodotto automatismi nell’integrazione
nei lanciatori. Esistono diversi lanciatori (Vega, PSLV, Dniepr) che accettano Cubesat anche a
pochi mesi dal lancio se questi vengono rilasciati dal sistema standard P-POD (Poly-
PicoSatellite Orbital Deployer ).

  Standard di un Nano-satellite                              Tipologie di Cubesat da
    Cube-Sat di 1 Unità (1U)                                       1U a 12U

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P-POD Deployer

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Servizi Applicabili
•   I Nano Satelliti sono nati come uno strumento di grande utilità nei progetti di
    didattica avanzata nel settore spaziale ma, grazie alla continua miniaturizzazione
    delle componenti elettroniche, hanno presto cominciato ad avere capacità simili
    a quelle dei satelliti più grandi e hanno attratto l’attenzione di altri soggetti del
    mondo aerospaziale per applicazioni di:
      Tele Comunicazione
      Osservazione della Terra

•   Un altro aspetto importante di questa rivoluzione tecnologica è l’integrazione di
    questi piccoli satelliti e loro costellazioni con la rete mobile terrestre 4G/5G per
    fornire servizi quali:
      Disseminazione dei Dati verso utenza finale;
      Realizzazione di Centri Servizi integrati con la Rete 5G;
      Applicazioni Android per la disseminazione dei Dati.

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2. SVILUPPO TECNOLOGIE PER SMALL-SAT
                Tecnologie a Radiofrequenza
Sull’utilizzo di nuove tecnologie COTS a radiofrequenza applicabili ai NanoSat si segnalano
gli avanzati sviluppi nei seguenti campi:
  Banda Ka a 26 GHz in quanto è meno congestionata e fornisce una larghezza di banda 4
      volte maggiore della banda X. Il rapporto finale del gruppo di esperti 2016-11-
      18_LEO26SG dice: “La frequenza di 26 GHz è un'opzione valida per comunicazioni
      dirette a terra da veicoli spaziali a orbita bassa (LEO). I pianificatori di missione
      possono trascurare la frequenza di 26 GHz a causa della non familiarità, dei rischi
      percepiti o della facilità di implementazione di una missione utilizzando un approccio
      standard. Non avendo preso in considerazione l'utilizzo della banda a 26 GHz, però, le
      missioni potrebbero mancare le opportunità offerte da frequenza più alte”;
  Antenne compatte Ka (antenne patch array con dimensioni 20x20 mm) e apparati RF a
      basso costo (LNA Low Noise Amplifier e SSPA Solid State Power Amplifier) da installare sui
      satelliti NanoSat per illuminare la stazione ricevente terrestre con larghezze di fascio
      sufficienti durante il passaggio in visibilità sull’orbita LEO (8-15 minuti);
  SSPA in GaN (Gallium Nitride) che diventeranno presto una soluzione molto più attraente
      poiché la loro efficienza e la potenza di uscita (circa 10 W) in genere raddoppieranno le
      performance dei precedenti SSPA in GaAs (Gallium Arsenide) già esistenti.

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Sistema di Comunicazione a 26 GHz

              Estratto dal rapporto finale 2016-11-18_LEO26SG

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Antenna Patch a 26 GHz

Diagramma di Radiazione di una
    Antenna Patch a 26 GHz
con fascio a 3dB di ± 20 degrees

  Dimensioni di una
Antenna Patch a 26 GHz

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Payload MicroSat Riconfigurabile
  Interessanti gli sviluppi recenti dei Payload Small-Sat riconfigurabili:
       Con conversione di Frequenza X/Ka;
       Con conversione Radiofrequenza/Link Ottici;
       Con interconnessioni ISOL (Inter Satellite Optical Link);
       Con conversione Fotonica a Bordo per l’elaborazione di Banda Base;
       Con Compressione a Bordo del Segnale.
  L’architettura di comunicazione con l’utilizzo di tali Payload riconfigurabili è mostrato
  in figura:

Payload Riconfigurabile

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Payload Cubesat miniaturizzato con
                           compressione a bordo
Interessanti anche gli sviluppi di Payload Cubesat operanti in Banda X ma con avanzate tecniche
di compressione a bordo e facenti uso degli standard di comunicazione DVB-S2X e codifica CCSDS
(Consultative Committee on Space Data Systems) basate su tecnologia SDR .
La realizzazione dello standard DVB-S2X in tecnologia SDR permetterà mediante Adaptive Coding
Modulation (ACM) o Variable Coding Modulation (VCM) di raggiungere bit data rates molto alte nel
collegamento RF in banda X.

           Payload Miniaturizzato in
                   Banda X

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Tecnologie Digitali
• Utilizzo di Tecnologie di Comunicazione SDR con l’utilizzo di Modem basati su
  processori FPGA programmabili (Field Programmable Gate Array) per l’elaborazione del
  segnale e che forniscono un sistema di comunicazione capace di adattarsi alle condizioni
  metereologiche con modulazioni flessibili variabili da 8PSK (PSK=Phase Shift Keying) fino a
  64 APSK mediante l’utilizzo di Modulazioni e Codici Adattativi (ACM Adaptative Code
  Modulation e VCM Variable Code Modulation) molto robusti in tecnologia DVB-S2X.

• Altre promettenti tecnologie per aumentare la Bit Rate di Trasmissione derivano da:
   Utilizzo della tecnologia Fotonica per l’elaborazione dei dati (immagini ad alta
     definizione raccolte dai sensori e telecamere) a bordo del Nano/Micro Sat;
   Utilizzo di Link Ottici di Trasmissione per i collegamenti con altri satelliti ISOL (Inter
     Satellite Optical Link) per la raccolta dei dati anche come alternativa all’utilizzo della
     Radio Frequenza;
   Telecamere/Sensori Iperspettrali;
   Sistemi di Elaborazione, Compressione e Immagazzinamento dei Dati a bordo;
   ISOL=Inter Satellite Optical Link.

                                                         Scheda FPGA

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3. INTEGRAZIONE CON LA RETE TERRESTRE

L’integrazione della Rete Satellite con quella Terrestre 4G/5G può creare diverse
opportunità di Servizio ed Applicazioni mirate all’Utenza mobile.

Lo schema architetturale di tale rete è mostrato nella figura succesiva dove lo strato
spaziale intermedio è costituito da una costellazione di SmallSat che sono
interconnessi sia con le Gateway Terrestri che con i satelliti GEO o MEO.

I dati raccolti dagli SmallSat mediante sensori all’infrarosso o multispettrali possono
essere ri-trasmessi, dopo opportuna compressione a bordo per ridurre la bit rate, verso
le gateway terrestri o verso satelliti MEO o GEO via ISL (Inter Satellite Link) o ISOL
(Inter Satellite Optical Link) per ottenere coperture più larghe.

Le Gateway Terrestri possono essere interconnesse a Centri Servizi collegati alla Rete
Mobile 4G/5G.

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Architettura di Rete Terrestre-Satellite

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Sviluppo Tecnologie e Servizi

Con tale architettura si potrebbero realizzare diversi Servizi ed Applicazioni, quali:

   Smart Gateway di Raccolta dei dati da SmallSat;
   Smart Gateway per Rilancio dati ai centri servizi della rete mobile terrestre 4G/5G;
   Realizzazione di Centri Servizi integrati con la Rete 5G;
   Elaborazioni Dati Ricevuti dagli Smallsat per Controllo del Territorio;
   Elaborazioni Dati Ricevuti dagli Smallsat per Osservazione della Terra;
   Disseminazione dei Dati verso Utenti Mobili;
   Applicazioni per la disseminazione dei Dati.

Il futuro dei servizi e delle applicazioni satellitari si misurerà dalla capacità di integrare
diverse tecnologie, costellazioni e segmenti spaziali (GEO, MEO, LEO) con la Rete
Terrestre di futura generazione per arrivare direttamente all’Utente.

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Costellazioni CubeSat

Gli sviluppi futuri prevedono per l’integrazione con la Rete Terrestre la realizzazioni di
Costellazioni di CubeSat dove per costellazione satellitare si intende un gruppo di
satelliti artificiali utilizzati in modo coordinato operanti sotto un controllo comune e
sincronizzati in modo che la loro copertura a terra si complementi.

I satelliti in orbita bassa (LEO) sono spesso schierati in una costellazione, perché l'area
di copertura di un singolo satellite di questo tipo è relativamente piccola. Per mantenere
una copertura continua di una particolare area del globo sono necessari molti satelliti in
orbita terrestre bassa; al contrario, i satelliti geostazionari, muovendosi con la stessa di
rotazione della Terra, coprono sempre la medesima zona.

Un nuovo traguardo è stato raggiunto dalla realizzazione dei piccoli satelliti CubeSat
che guardano il mondo. Sicuramente lo spazio e la sua esplorazione non sono più un
tema per pochi, ma ricercatori, studiosi o semplici appassionati ora possono condividere
le loro esperienze grazie alla tecnologia che si è talmente tanto evoluta da portare alla
nascita dei CubeSat.

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Futuro della Tecnologia CubeSat
La carta vincente dei mini-satelliti è costituita dal fatto che sono scatole da riempire come si
desidera: con sensori, fotocamere ed ogni tipo di strumentazione abbastanza piccola da essere
contenuta nel proprio volume.

La National Science Foundation americana ha lanciato un programma di Cubesat dedicato alla
meteorologia spaziale, un campo d'indagine che studia l'interazione tra il vento solare e la
magnetosfera terrestre.

La Planet Labs di San Francisco ha messi in orbita 28 Cubesat 3U, dedicati all'osservazione della
terra. La presenza simultanea di questa sorta di occhi spaziali consente di coprire qualsiasi punto
del pianeta, ottenendo immagini, non competitive, ma sufficienti a rilevare le aree colpite da
alluvioni, grandi incendi o deforestazione.

                             Cubesat 3U della
                               Planet Labs

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Conclusioni e Riflessioni
Ricordiamo che nei progetti scientifici italiani dei Cubesat sono molto attivi la UNIROMA1, la
UNIBO e la Ingeniars (azienda italiana spin-off dell’Università di Pisa). Ricordiamo anche la
GAUSS (Group of Astrodynamics for the Use of Space Systems) fondata dal Prof. Filippo
Graziani da cui estrapoliamo le seguenti riflessioni:

……“Gli scopi futuri sono limitati principalmente dalla fantasia umana piuttosto che dalla
tecnologia. Ci sono progetti per il monitoraggio di disastri ambientali, per lo sviluppo di studi di
biomedicina, per migliorare i servizi internet in aree remote, per sviluppare tecniche di agricoltura
intelligente, per la prevenzione dei terremoti. Lo sviluppo futuro di questo sistema dipende dalla
fantasia dei futuri progettisti “ …….

a cui aggiungerei una mia riflessione “anche dal mercato che ne detta i costi ed i servizi”.

Tra i progetti portati a termine con grande successo dalla GAUSS c’è il CubeSat TuPOD che è
stato lanciato nello spazio a gennaio 2017 dalla Stazione Spaziale Internazionale ISS in
collaborazione con JAXA, Japan Aerospace Exploration Agency.

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Riferimenti Bibliografici

   Low-Earth Orbit (LEO) 26 GHz K-band Study Group - Final Report November 2016
   Geospatial World – Report April 2016
   Seminario Internazionalizzazione e Aerospazio Dicembre 2016
   Lightweight and Cost Efficient Spaceborn Patch Antenna 2016 IEEE

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Grazie a tutti
       dell’attenzione mostrata
              Domande?

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