Programmi finanziati
dall'Agenzia Spaziale Italiana

Laser altimetro su microsatellite per la correzione del modello stereoscopico (2001/2002)

Il progetto è stato approvato dall' Agenzia Spaziale Italiana nell'ambito della ricerca sugli sviluppi degli strumenti per il telerilevamento dallo spazio.
L'obiettivo del programma è la definizione di un sistema laser altimetro da utilizzare su microsatellite come sistema ausiliare di una telecamera ad alta risoluzione, per correggere e calibrare in modo automatico coppie di immagini stereoscopiche.

La ricostruzione 3D di scene naturali usando immagini stereoscopiche è conosciuta come stereovisione.
In pratica nella visione stereoscopica vengono impiegate due immagini acquisite lateralmente o in due posizioni diverse lungo la linea di volo e che, quindi, presentano differenti geometrie di osservazione.
L'altimetria è una tecnica che consente di determinare la distanza dell' oggetto da un osservatore misurando il tempo di andata e ritorno di un 'onda elettromagnetica. Il segnale inviato può essere emesso nelle microonde, nel qual caso parliamo di radar altimetro, o nel visibile infrarosso e allora parliamo di laser altimetro.

Il microsatellite che è stato preso in considerazione in questo studio è SMART (Scientific Microsatellite for Advanced Research and Technology), un satellite universitario pensato per poter adempiere differenti missioni spaziali in orbite elio-sincrone a quote tra 400 e 1000 km. Può portare un carico utile di circa 10 kg cui può fornire una potenza media fino a 10 W. Le sue dimensioni sono di 45cmx45cmx36cm e il suo peso è 40 kg. È configurato in modo da poter accomodare a bordo la camera MHRRC (Miniaturized High Resolution Reconnaissance Camera) miniaturizzata per l'osservazione della Terra in grado di offrire una risoluzione geometrica a terra di 10 m da una quota di 400 km.

Le attività che sono state portate a termine si possono così sintetizzare:

  • definizione dei requisiti applicativi e di sistema
  • definizione del sistema laser altimetro
  • valutazione delle prestazioni
  • Sviluppo del Progetto

    Dopo uno studio approfondito della problematica in oggetto, la prima fase di progetto ha permesso di definire i requisiti applicativi e di sistema e di condurre un'analisi preliminare per identificare una configurazione di massima dell'altimetro.
    La ricerca condotta ha permesso di verificare che il laser altimetro sembrerebbe il più indicato per un microsatellite fra i sistemi di misura di distanza esistenti, presentando caratteristiche di peso, ingombro e consumo di potenza certamente più contenute di un altro sistema altimetrico, anche se il peso dello strumento è risultato tra i problemi più critici per l'accomodamento sul satellite. Essendo un sistema attivo, l'altimetro laser è comunque pesante, anche se la tecnologia attuale è in grado di produrre trasmettitori laser con un peso che si aggira sugli 8 kg.
    In questa configurazione, un laser altimetro può arrivare ad un peso massimo di 10 kg, che comunque risulterebbe circa 1/4 del peso totale del satellite.
    Le attività condotte nei mesi successivi hanno completato il programma di ricerca ed hanno permesso di effettuare un'analisi di trade-off delle prestazioni di sistema per identificare le principali specifiche dello strumento. L'analisi svolta ha permesso di valutare le prestazioni di un altimetro laser operante a singolo impulso con lunghezza d'onda pari a 1064nm e ad un altezza dalla Terra di 400Km. Ciò ha significato quantificare il rapporto segnale-rumore (meglio conosciuto come Signal to Noise Ratio - SNR) dello strumento al variare di opportuni parametri, verificando poi che questo sia adeguato con gli scopi che la misura si prefigge.
    Per questo, è stato definito un modello per l'impulso inviato dal laser, riflesso dalla superficie bersaglio e raccolto dal telescopio ed un modello del rumore, che tenesse in conto il rumore di segnale, il rumore di fondo ed il rumore del canale di rivelazione.
    Un opportuno programma di simulazione è stato quindi realizzato per verificare l'andamento di SNR al variare dei parametri di osservazione.

    Le simulazioni effettuate hanno consentito di fissare l'energia e l'ampiezza dell'impulso laser, e la banda passante del sistema che sono risultate essere:

    energia del laser 50mJ
    ampiezza dell'impulso 5ns
    banda passante del sistema 2MHz

    Un tale sistema, che riesce a mantenere una indeterminazione nella misura della distanza altimetro-Terra entro 1m e a garantire la caratteristica eye-safety, sembrerebbe soddisfare i requisiti identificati nello studio di prima fase e sembrerebbe quindi idoneo alla specifica applicazione. Va tuttavia sottolineato che le simulazioni effettuate si riferiscono ad una visione dell'altimetro rispetto alla zona sorvolata perfettamente verticale e che non tiene conto di eventuali pendenze del terreno. Un'accurata analisi dell'errore commesso sulla misura della distanza Terra-altimetro non é stata affrontata, non rientrando in uno studio di fattibilità, quale é appunto quello effettuato. Questa analisi potrebbe essere affrontata in una seconda attività di ricerca da realizzare sulla base dei risultati ottenuti dal presente progetto e tesa alla definizione delle specifiche del laser altimetro.


    Articoli di CO.RI.S.T.A. sull'argomento:

    • S. Mattei, M.R. Santovito, A. Moccia,"A new Rangefinder for Microsatellite", Proceedings of SPIE Remote Sensing Europe, 8-12 September 2003, Barcelona (Spain).      

    • S. Mattei, M.R. Santovito, A. Moccia (CO.RI.S.T.A), "Microsatellite Laser Altimeter Feasibility Study", IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems Vol. 42, NO. 4 October 2006. Abstract      


    Per approfondimenti contattare:

    Stefania Mattei
    stefania.mattei@corista.eu
    tel. 081 5935101