2 Parte Missione e Carichi Utili

I.I.S.S. – “G. MARCONI” – piazza Poerio 2 - BARI
PRPGETTO EduSAT
Missioni e carichi utili per i satelliti artificiali:
“Il Payload”
Seconda Parte
Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente
Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace
1
I SATELLITI METEOROLOGICI
L’applicazione meteorologica è un particolare caso di osservazione della Terra, mirata soprattutto
all’osservazione dei fenomeni che determinano il tempo ed il clima sul nostro pianeta.
Il carico utile di questo genere di satelliti utilizza normalmente dei sensori ottici che operano nello
spettro della luce visibile e dell’infrarosso.
Satelliti in orbita GEOSTAZIONARIA (METEOSAT):
Ci riferiamo alla famiglia dei satelliti europei Meteosat di seconda generazione “MSG”, sviluppati
dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA) e gestiti dalla società europea EUMETSAT.
Il satellite MSG, di forma cilindrica, è stabilizzato per spin e ruota alla velocità di 100 giri al
minuto. L’asse di rotazione, diretto da sud a nord, è perpendicolare al piano orbitale che contiene
l’equatore.
Satelliti in orbita BASSA POLARE (NOOA):
Prenderemo ad esempio la famiglia dei satelliti NOAA (National Oceanic and Atmospheric
Administration) americani, sia perché il loro segnale in banda VHF, che trasmette immagini a bassa
risoluzione, può essere ricevuto con apparecchiature a basso costo accessibili anche ad un amatore,
sia perché è in atto una collaborazione tra l’agenzia NOAA e l’europea EUMETSAT per la
piattaforma meteorologica in orbita polare denominata METOP.
Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente
Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace
2
I SATELLITI METEOROLOGICI
Lo strumento di osservazione è un radiometro a scansione, battezzato SEVIRI, acronimo che
tradotto in italiano significa “Radiometro avanzato a spin nel visibile ed infrarosso”, una sorta di
telescopio dotato di un sensore multi banda, che acquisisce le immagini a somiglianza di una
telecamera, cioè componendo un intero quadro riga per riga. La scansione di ogni riga viene
effettuata sfruttando lo spin del satellite; l’avanzamento da una riga alla successiva, in direzione
Sud-Nord, avviene mediante uno specchio che viene fatto ruotare passo a passo, variando la sua
posizione angolare.
La scansione di un’intera immagine del disco terrestre comprende 1250 linee, ognuna delle quali
copre una larghezza a terra di 9 Km. Il tempo richiesto per ogni scansione completa è di 12 minuti e
mezzo. Aggiungendo il cosiddetto “tempo di rintraccia” di circa 2 minuti, necessario per riportare lo
specchio alla posizione iniziale, si ottiene una immagine completa all’incirca ogni 15 minuti.
Vogliamo ancora ricordare che da 36.000 Km di altezza si vede approssimativamente un terzo della
superficie terrestre, e quindi la copertura del satellite MSG include non solo l’Europa ma anche
l’Africa, il Medio Oriente e l’Oceano Atlantico Meridionale.
Le caratteristiche fisiche dello strumento SEVIRI sono in sintesi le seguenti:
-
Tre bande spettrali nel visibile e una nell’infrarosso vicino, complessivamente da 0,4 a 1,6
micron di lunghezza d’onda.
Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente
Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace
3
-
Otto bande spettrali nell’infrarosso, da 3,9 a 13,4 micron di lunghezza d’onda.
Le bande nel visibile forniscono immagini delle nuvole e della superficie terrestre durante il giorno.
La banda nell’infrarosso vicino serve a distinguere le nuvole dalla neve e le nuvole di ghiaccio da
quelle di gocce d’acqua.
Le altre bande nell’infrarosso permettono di determinare la quantità, la temperatura e la
distribuzione del vapor acqueo nell’atmosfera, la temperatura del terreno e l’andamento dei venti.
Un canale infrarosso è utilizzato per rivelare la nebbia notturna.
SEVIRI è progettato per fornire 245.000 immagini durante una vita utile di 7 anni, ha una massa di
260 Kg, è alto 2,43 metri e ha un diametro di 1 metro.
SEVIRI assorbe 150 W e trasmette dati ad una velocità di 3,26 Mbit/s.
I SATELLITI METEOROLOGICI NOAA
Le trasmissioni dei dati dei NOAA verso terra avvengono in due modalità:
-
APT (Automatic Picture Transmission), a bassa risoluzione, nella banda VHF alla frequenza
di 138 MHz;
-
HRPT (High Revolution Picture Transmission ), ad alta risoluzione, nella banda S.
I satelliti NOAA in orbita polare svolgono anche funzioni di ponte radio per ritrasmettere alle
stazioni terrestri segnali di richiesta di soccorso da aree remote e di centro di raccolta dati per la
ritrasmissione ad un centro meteorologico terrestre dei dati raccolti da sensori meteo a terra.
Il carico utile di un satellite NOAA comprende:
-
Un radiometro ad alta risoluzione a 6 canali nel visibile e nell’infrarosso, da 0,58 a 12,5
micron di lunghezza d’onda, per la misura della copertura nuvolosa, della temperatura del
mare, del ghiaccio, della neve e della copertura della vegetazione. Lo strumento ha una
risoluzione massima di 1,1 Km.
Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente
Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace
4
-
Una sonda atmosferica all’infrarosso ad alta risoluzione con un canale nel visibile e 19
canali nell’infrarosso, da 3,8 a 15 micron di lunghezza d’onda, per misurare la temperatura e
l’umidità atmosferica, la temperatura a terra e la quantità totale di ozono nell’atmosfera. Lo
strumento ha una risoluzione massima di 10 Km.
-
Una sonda a microonde, per misurare la temperatura e l’umidità atmosferica in condizioni
copertura nuvolosa totale: opera su 15 canali a frequenze comprese tra 23 e 90 GHz ed ha
una risoluzione massima di 45 Km.
-
Uno spettrometro multicanale per la misura del flusso degli elettroni e protoni di origine
solare e cosmica.
Inoltre, come abbiamo già detto, i satelliti NOAA hanno a bordo dei ricetrasmettitori radio e
precisamente:
-
Un ricevitore UHF, che opera alla frequenza di 401,65 MHz, per ricevere segnali da
piattaforme meteorologiche remote basate a terra;
-
Un trasponditore VHF/UHF che riceve segnali di richiesta di soccorso alle frequenze VHF
di 121,5MHz , 243 MHz, 406,5 MHz e li ritrasmette a terra alla frequenza di L1 di 1544,5
MHz.
I SATELLITI PER LA NAVIGAZIONE
Un satellite GPS
I satelliti per la navigazione
Il sistema oggi in uso nei paesi occidentali è l’americano GPS (Global Positioning System) che in
italiano si traduce con Sistema di Posizionamento Globale. Il sistema GPS, il cui nome completo è
NAVSTAR – GPS, è finalizzato e gestito dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, che
normalmente ne autorizza l’impiego anche per scopi civili, ma potrebbe, in periodi di crisi
Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente
Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace
5
internazionale, limitarne l’impiego ai soli scopi militari mediante tecniche di crittografia del
segnale.
Il sistema europeo Galileo, dalle caratteristiche più avanzate, è in fase di sviluppo ed è previsto che
sia pienamente operativo nel 2013. Ambedue i sistemi funzionano sostanzialmente secondo lo
stesso principio.
I SATELLITI PER LA NAVIGAZIONE - GPS
Il sistema GPS è costituito da tre componenti:
1. la componente spaziale (31 satelliti);
2. la componente terrestre (stazioni di controllo);
3. la componente utente (navigatore satellitare).
La componente spaziale è costituita da 24 satelliti + 7 , ridondanti, per evitare che il sistema possa
andare in avaria. Le orbite sono organizzate in maniera tale che un punto sulla terra veda almeno 6
satelliti. Ogni satellite è dotato di 4 orologi atomici con la precisione +/-1sec ogni milione di anni.
La componente terrestre riceve dal satellite: il tempo di bordo, il suo numero identificativo, la sua
posizione nello spazio, la posizione approssimata degli altri satelliti operativi.
la componente utente è costituita dal navigatore satellitare in dotazione all’utente, che trovandosi
sulle tre sfere teoriche aventi raggio pari alla distanza di tre satelliti, tramite trilaterazione, fornirà i
dati necessari ad individuare le coordinate geografiche. Un quarto satellite servirà a sincronizzare
gli orologi del GPS con i più precisi orologi satellitari pena errori di rilevamento. (Precisione 30 m).
Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente
Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace
6
I SATELLITI SCIENTIFICI
La missione e gli strumenti di un satellite scientifico: Hubble Space Telescope
Data la grande varietà di satelliti e veicoli spaziali scientifici lanciati in 50 anni di attività spaziali,
descriverli tutti anche in modo sommario e impossibile. Tra tanti ne abbiamo scelto uno
particolarmente significativo, sia dal punto di vista delle dimensioni fisiche che dei risultati ottenuti
per la comunità scientifica: HST, Hubble Space Telescope, in italiano Telescopio Spaziale Hubble,
della NASA.
Che cos’è Hubble Space Telescope e quali strumenti trasporta
Hubble Space Telescope, immesso in orbita il 24 aprile 1990 tramite lo Space Shuttle Discovery, è
un grande telescopio che permette di osservare il sistema solare e l’Universo senza il velo
dell’atmosfera, ottenendo immagini straordinarie mai viste prima dall’uomo.
Hubble, così battezzato in memoria dell’astronomo americano Edwin Hubble, ha una forma
cilindrica (esclusi i pannelli solari) con un diametro di 4,3 m,una lunghezza di 13 m e un peso totale
di 11 tonnellate. L’orbita ad un’altitudine di 575 Km, viene percorsa in 97 minuti.
La limitata altitudine orbitale permette ad astronauti trasportati dallo Space Shuttle, ed operanti in
Attività Extraveicolare, di effettuare operazioni periodiche di manutenzione del satellite e delle sue
apparecchiature.
L’ultima missione di manutenzione ed aggiornamento è stata effettuata nel maggio 2009 tramite lo
Space Shuttle Atlantis.
Hubble è dotato di un sistema di stabilizzazione a tre assi che gli permette un puntamento molto
preciso sugli oggetti da osservare : per fare un paragone terrestre, la precisione corrisponde a quella
Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente
Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace
7
che sarebbe richiesta per illuminare da Roma con un raggio laser una moneta da 20 centesimi
situata a Milano senza che il raggio di luce uscisse dal perimetro della moneta.
Lo strumento principale è il telescopio a riflessione, dotato di uno specchio principale di 2,4 metri
di diametro e di uno specchio secondario di 30 centimetri di diametro.
Nel piano focale dello specchio sono situati gli strumenti scientifici che esaminano e registrano le
radiazioni luminose, ultraviolette ed infrarosse raccolte dal telescopio.
Gli altri strumenti di Hubble Space Telescope sono:
-
Un sistema di tre macchine fotografiche elettroniche, installate nel 2002, capaci di
registrare immagini a partire dalle radiazioni ultraviolette fino al vicino infrarosso;
-
Un sistema ottico aggiuntivo, usato per correggere le aberrazioni riscontrate nello specchio
principale, ed installato nel 1993 durante la prima missione di manutenzione;
-
Uno spettrografo ultravioletto ottimizzato per osservare sorgenti luminose puntiformi
deboli;
-
Uno spettrometro sensibile alle radiazioni infrarosse, per vedere attraverso i gas e le polveri
interstellari;
-
Uno spettrografo che, a somiglianza di un prisma di vetro, divide la luce in quattro bande
spettrali, in questo caso, per inviarle a rivelatori elettronici dedicati;
-
Una macchina fotografica grandangolare, che ha scattato fino ad ora la maggioranza delle
immagini che hanno reso famoso il Telescopio Spaziale Hubble.
Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente
Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace
8
I SATELLITI SCIENTIFICI
Lo spettrografo è uno spettroscopio che trasforma la luce in uno spettro a seconda della sua
frequenza. Il suo uso è frequente soprattutto in astronomia. Lo strumento utilizza diverse tecniche
di registrazione e visualizzazione. Tradizionalmente, i colori che compongono
lo spettro
venivano rappresentati da una lastra fotografica che registrava lo spettro, permettendone
uno studio molto accurato e dettagliato (spettrogramma) . La classificazione stellare, la scoperta
della sequenza principale, la legge e la sequenza di
Hubble sono tutti risultati raggiunti grazie all'utilizzo di spettrografi accoppiati a lastre fotografiche.
Il Telescopio Spaziale James Webb (programmato per essere messo in orbita nel 2013, quando
prenderà il posto del Telescopio Spaziale Hubble) avrà a bordo, fra gli altri strumenti scientifici,
due spettrografi: uno, chiamato NIRSpec, ottimizzato per gli studi nel vicino infrarosso, l'altro
(MIRI) ottimizzato per gli studi nel medio infrarosso.
Lo spettroscopio è uno strumento usato in chimica e fisica per l'osservazione e l'analisi della
radiazione Elettromagnetica emessa da una sorgente. Può essere a prisma, se utilizza un prisma
ottico, o a reticolo, se viene usato un reticolo di diffrazione. Il suo potere risolutivo è dato dal
rapporto:
λ\∆λ
dove λ è la lunghezza d'onda e ∆λ è la differenza fra le due più vicine lunghezze d'onda che si
riescono a risolvere.
Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente
Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace
9
APPENDICE
ONDE ELETTROMAGNETICHE e RADIO FREQUENZA
Propagazione dell’Onda Radio
SPETTRO DELLE RADIOFREQUENZE
Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente
Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace
10
La gamma delle Onde Radio è convenzionalmente suddivisa nelle seguenti bande:
Banda
Frequenza
Lunghezza d'onda
< 3 Hz
> 100.000 km
Principali impieghi
ELF
(Extremely low 3–30 Hz
frequency)
Comunicazione radio con i sottomarini,
100.000 km – 10.000 km ispezione tubazioni, studio del campo
magnetico terrestre
SLF
(Super
low 30–300 Hz
frequency)
10.000 km – 1.000 km
Comunicazione con i sottomarini, per
es. la radio russa ZEVS
ULF
(Ultra
low 300–3000 Hz
frequency)
1.000 km – 100 km
utilizzate per le comunicazioni in
miniera
VLF
(Very
low 3–30 kHz
frequency)
100 km – 10 km
Marina,
comunicazione
sommergibili in emersione
con
Trasmissioni radio intercontinentali in
AM,
LF
(Low
frequency)
30–300 kHz
MF
(Medium
frequency)
300–3000 kHz 1 km – 100 m
HF
(High
frequency)
3–30 MHz
10 km – 1 km
trasmissione del segnale di tempo
standard per gli orologi radiocontrollati.
100 m –
(Onde corte)
Trasmissioni radio in AM
10
m
Radioamatori,
Banda
cittadina,
trasmissioni intercontinentali in codice
Morse
VHF
(Very
high 30–300 MHz
frequency)
10 m – 1 m
Radio commerciali in FM, Aviazione,
Marina, Forze dell'ordine, Televisione,
Radioamatori, Radiofari
UHF
300–
(Ultra
high
3000 MHz
frequency)
1 m – 100 mm
Radio PMR, Televisione, Telefonia
cellulare, WLAN
SHF
(Super
high 3–30 GHz
frequency)
100 mm – 10 mm
Radar, Satelliti, WLAN
EHF
(Extremely
high
frequency)
10 mm – 1 mm
Trasmissioni satellitari e radioamatoriali
30–300 GHz
Le onde radio o radioonde sono le radiazioni elettromagnetiche di frequenza compresa tra zero e
300 GHz ovvero con lunghezza d'onda da 1 mm all'infinito. Il limite di frequenza inferiore è
necessariamente asintotico poiché per definizione non possono esistere onde elettromagnetiche
senza variazione di campo (cioè a frequenza zero).
Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente
Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace
11
La quantità di informazione che può essere trasportata da un segnale radio (vedi
modulazione) è proporzionale alla sua frequenza, per questo le frequenze minime usate nella
radiotecnica per trasmettere la voce partono da qualche decina di kilohertz (KHz).
Sebbene questa regione dello spettro elettromagnetico sia di piccole dimensioni rispetto alle altre
(ultravioletto, infrarosso, Raggi X ecc) è storicamente la più utilizzata per le comunicazioni radio.
Questo è avvenuto principalmente perché le onde di bassa frequenza sono facilmente generabili con
dispositivi elettrici alla portata della fisica della fine del XIX secolo (oscillatori, antenne, rivelatori a
risonanza) e quindi disponibili ai tempi di Heinrich Rudolf Hertz, Guglielmo Marconi e Nikola
Tesla.
Un altro vantaggio delle maggiori lunghezze d'onda è di propagarsi per riflessione ionosferica a
distanze intercontinentali, sicuramente interessante in un'epoca in cui non esistevano ponti radio e
satelliti per telecomunicazione.
Per concludere questo breve escursus ecco una immagine del NOAA 17 ricevuta nel corso del
Primo Modulo EduSAT realizzato nell’a.s. 2009/2010.
Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente
Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace
12