Sempre più  spesso leggiamo che e’ possibile “spiarci” dallo spazio, mentre passeggiamo, viaggiamo, lavoriamo, attraverso l’uso di “macchine fotografiche” messe su satelliti che “possono leggere il titolo del Falso”.

Ultimo esempio le foto rese pubbliche dalla NATO relative alla crisi Ucraina.

Poi certi films (vedi Public Enemy), ci fanno pure vedere che possono non solo fotografarci, ma addirittura riprenderci in tempo reale e seguirci uno per uno.

Diciamo subito che, sicuramente per il settore civile, questo e’ falso. I satelliti si comportano esattamente da satelliti. E la luna e’ un satellite.

Cercherò di spiegare come un satellite vola, come funziona il sensore imbarcato, come questo si gestisce e vi darò una serie di termini “tecnici” per comprendere le castronerie che troppo spesso i media ci propinano su questo argomento.

IL SATELLITE

Intanto dobbiamo definire cosa e’ un satellite: è un veicolo inviato a mezzo di un razzo nello spazio ed ivi orbitante intorno alla terra o ad altro corpo celeste. Perché “orbita”? Perché non se ne va nello spazio oppure non cade a terra? Perché vengono lanciati ad una quota superiore ai 130 Km e fatti andare ad una velocità sufficiente affinché  si crei una sorta di “equilibrio dinamico” tra la forza di gravita’ e quella centrifuga. Questa velocità per un satellite di osservazione e’ intorno ai 7km/sec.

Che tipo di orbite abbiamo? Io non sono un orbitografo, pero’ posso provare a descrivere i tipi di orbitografia più utilizzata per i satelliti di osservazione.

Abbiamo due principali tipi di orbita:

• Geostazionaria – il satellite ha un’orbita tale che, ad un osservatore posto sulla terra, appare sempre nella stessa posizione

• Eliosincrona – e’ un’orbita che combina altezza e inclinazione in modo tale che un oggetto posto su quest’orbita, sorvola ogni dato punto della superficie terrestre sempre alla stessa ora solare locale. In questo modo l’illuminazione solare sulla superficie terrestre risulta essere la stessa per ogni rivoluzione, cosa che aiuta l’osservazione essendo le condizioni di luce grosso modo invariate orbita dopo orbita. L’orbita eliosincrona ha inclinazioni di 95-100 gradi sul piano equatoriale, quota variante fra 300 e 800 km e periodo orbitale di 90-100 minuti.

Premesso che la cosiddetta“Orbita Geostazionaria” non e’ usata per questo tipo di satelliti  perché si vuole “giocare” con la rotazione terrestre in maniera di poter passare nel tempo su qualunque punto della Terra, nonché per l’altezza che non permette riprese decenti, possiamo dire che, causa:

–          la qualita’ delle immagini richieste

–          il fatto che si preferisce riprendere ciascun punto della Terra alla stessa ora

–          che tale ora deve permettere riprese con la presenza di ombre, ma senza che queste siano troppo lunghe

si usa metterli su di una orbita “Eliosincrona”.

Parliamo quindi di un cassone (BUS) che viaggia come un folle intorno alla terra ad una certa altezza, che nel nostro caso va dai 300 agli 800 km. Questo Bus pero’ deve avere a bordo una serie di strumenti/apparati che permettano di effettuare la sua missione, che e’ quella di “fotografare” pezzi di terra quando e’ possibile e quando e’ necessario.

Questi apparati sono:

– Apparato elettrico, pannelli solari e batterie

 – Ruote inerziali (per la sua rotazione sui suoi assi), sistemi di posizionamento,        navigazione e comunicazione

– Carburante (idrazina), per le manovre necessarie per mantenerlo nella sua orbita esatta o per riposizionamento o emergenze

–  Payload, cioè il sensore vero e proprio.

Parliamo del sensore. Abbiamo oggi, per l’osservazione della terra, diversi tipi di possibili sensori, che vengono imbarcati a seconda dello scopo per cui il satellite e’ realizzato.

Tralascio i sensori prettamente scientifici e quelli in via di sviluppo (Iperspettrali, ad esempio), per concentrarci su quelli di uso piu’ comune, i sensori elettro-ottici e quelli radar.

Sensore elettro – ottico: e’ composto da un’obiettivo multilente di una certa dimensione, ricettore (CCD) e tutto il sistema di storage. E’ un sensore PASSIVO che non necessita grande potenza per funzionare. Ne più ne meno di una macchina fotografica con un grande obiettivo, alla fine;

Sensore S.A.R.: il Synthetic Aperture Radar (radar ad apertura sintetica), composto principalmente da una antenna cosiddetta “sintetica” perché piatta, composta da elementi trasmittenti, e che riescono ad ottenere lo stesso effetto di un radar a paraboloide parabolico (concentrazione del fascio di emissione) attraverso un algoritmo di emissione. Praticamente l’antenna, pure se piatta e composta da tante antenne una a fianco dell’altra, e’ capace di dirigere il fascio in una direzione voluta e diciamo, impropriamente, “conica”. La stessa antenna poi riceve le onde elettromagnetiche “riflesse” dagli oggetti a terra e realizza una “immagine radar” del segmento di terra che ha “illuminato”. E’ un sensore ATTIVO quindi necessita di grande potenza elettrica.

Ora sappiamo cosa e’ un satellite e cosa ha a bordo. Sappiamo che deve fare riprese fotografiche o radar. Pero’ dobbiamo pure sapere che questi satelliti NON possono riprendere continuamente mentre volano, perché servirebbero hard disk infiniti e potenza elettrica a livello centrale nucleare. Quindi possiamo per ora affermare che il satellite una volta in orbita ha bisogno, per essere mantenuto li, per poter fare le riprese, per mandare a terra i risultati, i dati, di un sistema di comunicazione (e lo abbiamo menzionato) con un qualche apparato a terra, che chiameremo Ground Segment di un a questo punto definito Sistema Satellitare. Il satellite diventa lo Space Segment del Sistema.

IL GROUND SEGMENT

Il Ground Segment e’ quella parte di un Sistema Satellitare che e’ deputato principalmente a:

–          Controllare, Tracciare e Comunicare il Satellite (TT&C Station)

–          Preparare il “Mission Planning”, cioè “ordinare al Satellite” dove e quando effettuare le riprese fotografiche (Operational Centre)

–          Ricevere i dati dal satellite (Receiving Station)

–          Produrre le immagini, catalogarle, archiviarle ed inviarle al committente.

Quindi se il Satellite, con il suo sensore, e’ il “braccio operativo”, il Ground ne e’ la “mente”.

Siamo arrivati quindi alla definizione di un Sistema Satellitare per l’Osservazione della Terra.

Passiamo quindi a vedere come il satellite procede a fare il suo lavoro, cioe’ come fa a fare le riprese, ogni quanto puo’ farlo su un punto sulla Terra, che tipo di immagini produce.

L’acquisizione delle immagini

Abbiamo detto che il Satellite orbita intorno alla Terra e, grazie al “gioco” con la rotazione terrestre, e’ in grado di girare intorno alla terra continuamente, “coprendola” cosi ogni 24 ore. Chiaramente non può passare ogni 24 ore su tutti i punti della terra, ma ripasserà su un punto all’inizio di un nuovo ciclo orbitale (tempo tra due passaggi su un punto). Quindi possiamo dire che il sensore non puo’ vedere ogni giorno lo stesso punto, guardando sulla sua verticale, cioe’ al suo nadir.

Abbiamo pero’ sopra menzionato le “ruote inerziali” (inertial wheels), che servono a far ruotare il satellite sui suoi assi, quindi possiamo orientare l’obiettivo a destra, a sinistra, davanti e dietro. Cioè possiamo “allargare” la porzione di terra che l’obiettivo può riprendere.

Di conseguenza possiamo dire che un Satellite ha un suo revisit time (tempo tra due possibili acquisizioni su di un punto) che dipende dall’agilita’ (capacita’ di muoversi sui suoi assi) del Satellite e l’orbitografia. Tale revisit time varia da Satellite a Satellite in funzione dell’investimento (costano) e può andare da uno a tre giorni (per un Satellite).

Quindi chi ha il compito di “ordinare” le immagini al Satellite dovrà:

• conoscere le orbite che il Satellite compirà in un tempo futuro prestabilito (12/24 ore)
• avere sottomano le richieste di ripresa
• vedere quelle che possono essere acquisite anche modificando l’angolo di acquisizione
• controllare la meteorologia sulle aree (per le img ottiche)
• preparare l’”ordine”
• inviarlo al satellite

il quale effettuerà’ tutte le manovre necessarie e provvederà’ a fare le “fotografie”, le quali potranno essere inviate a terra in “real-time down-link” se e’ in quel momento nell’area di ricezione di una delle sue stazioni di ricezione, oppure le salva nell’hard disk per “scaricarle” alla prima favorevole occasione.

Questo vi fa capire che tra una richiesta di acquisizione di un cliente e la sua effettuazione può passare anche molto tempo, e comunque, considerando anche che una volta a terra i dati devono essere “lavorati” per renderli immagini fruibili, c’e’ comunque un gap tra l’acquisizione ed il delivery. Per questo, oltre che per i costi associati, sono stati sviluppati vettori “tattici” quali UAV’s.

Il Satellite, anche se ha migliorato incredibilmente i suoi tempi di risposta, rimane un sistema fondamentalmente di tipo “strategico” e comunque perfetto per attività informative e risk management e studio del territorio.

Passiamo ora a vedere e capire che cosa produce un Satellite per l’osservazione della Terra.

Le immagini satellitari

Queste principalmente si dividono in :

• immagini ottiche
• immagini SAR (radar)

Partiamo con le immagini ottiche. Non sono ne piu ne meno che immagini acquisite con una telecamera che fa lo scanning di una porzione della Terra durante il passaggio del Satellite. Le immagini sono geo-referenziate, cioè si può sapere, usando i tools dedicati, la posizione geografica di qualunque punto. Di conseguenza si possono prendere misure e distanze.

Le img ottiche possono principalmente essere:

• pancromatiche (bianco e nero)
• multispettrali (RGB o  piu’)
• combinate (pansharpened)
• iperspettrali

WV1 e GeoEye  – Digital Globe© Property

Le caratteristiche principali di una img sono:

• Risoluzione dell’immagine: e’ la capacita’ di poter discriminare due oggetti uguali posti ad una distanza uguale alle loro dimensioni. Dipende dalla ground resolution (porzione di spazio registrata da ogni singolo ricettore del sensore), dalla risoluzione radiometrica e dalla risoluzione spettrale, che dipendono dalla qualità del sensore.
• Angolo di acquisizione
• Precisione geografica.
• Swath dell’immagine, cioè la estensione della stessa (campo abbracciato)

Oggi a livello commerciale abbiamo sensori che forniscono una risoluzione almeno a terra che va dai 40 cm ad 1mt, con swath da 10 a 60 km, per quelli che vengono catalogati come Very High Resolution Sensors. Abbiamo poi High Resolution, tra 1mt e 10 mt, Medium Resolution tra 10 mt e 20 mt ed infine Low Resolution compresi tra 20 e 200 mt.

Nella prossima parte, se sara’ di interesse,  parleremo delle immagini SAR, ed in particolare del sistema Italiano Cosmo SkyMed, di proprietà dell’Agenzia Spaziale Italiana e della Difesa, che e’ una delle eccellenze nazionali, anche se quasi misconosciuta.