Scarica il - Rivista Politecnico

Il Contributo del Politecnico di Milano
alle ricerche spaziali
Introduce il Rettore del Politecnico Prof. Adriano De Maio
I1 Politecnico di Milano ha una grande tradizione di sviluppo e applicazione di tecnologie
in campo spaziale. In particolare, i tre dipariimenti promotori di questo convegno rappresentano l'anima "spaziale" del nostro ateneo,
essendo impegnati da tempo nell'ambito delle
telecomunicazioni, dell'osservazione della
Terra, della progettazione di strutture per
moduli orbitanti e, più recentemente dell'analisi quantitativa del comportamento motorio
dell'uomo durante l'esposizione prolungata
alla microgravità.
Questo convegno è stato organizzato nell'ambito di quest'ultimo settore ed è specificatamente dedicato allo studio del comportamento
motorio dell'uomo in microgravità con la partecipazione di esperti nazionali ed internazionali del settore. Ringrazio il Professor Pedotti,
Direttore del Dipartimento di Bioingegneria,
per aver contribuito a far si che questo Convengo, di cui è principale promotore, sia anche un'occasione per presentare il ruolo che il
Politecnico di Milano ha svolto nell'ambito
del Programma Spaziale Internazionale.
E un onore e un piacere avere con noi il
Capitano Michael Baker, comandante dello
Space Shuttle e veterano delle missioni spaziali. La sua visita è uii'opporiuniti unica per
avere una diretta testimonianza delle attività
dell'uoino nello spazio, che in questo caso,
hanno riguardato l'ultima missione del
comandane Baker, culminata con il quinto
dockiiig della navetta Shuttle Atlantis alla
Stazione Spaziale Mir, nell'ambito del programma congiunto russo-americano "Shuttle
to Mi". Di seguito interverranno il Capitano
Baker e quattro colleghi dei Dipartimenti di
Bioingegneria, Elettronica e Aerospaziale, che
illustreranno le diverse aniine dell'attività del
Politecnico di Milano in campo spaziale.
Ringrazio i relatori e i partecipanti a questo
convegno e vi auguro un proficuo lavoro.
"Human Performance" in microgravità
Antonio Pedotti. Guido Baroni, Giancarlo Ferrigno
Dipartimento di Bioingegneria
Introduzione
Dall'avvento dell'Era dell'esplorazione spaziale
segnata dal lancio dello Sputnik 40 nel 1957 e in
seguito dal volo di Juri Gagarin nel 1961, la ricerca
scientifica e tecnologica in rnicrogravità ha assunto
dimensioni ed importanza sempre crescenti.
Per il mondo medico-scientifico delle Scienze della
Vita, l'assenza di gravità è vista come una condizione
sperimentale unica, in grado di far emergere in una
diversa e spesso più illuminante prospettiva aspetti del-
I iirtemi firiologiu
pii initcrrati dagli oHem
delreiporiuonr alla
miuograviti
Sistema xhelttrito
listenta medare
listema cardiorartolarc
* lirtema rtrpiratorio
* Sa
imi wnrPnali
Sistema rnnoro autonoirio
* Sistema mnoso unink
la fisiologia degli organismi biologici.
I primi voli con equipagjo umano hanno dato il via
allo studio degli effetti che l'esposizione alla microgmviti comporta sull'uomo.
L'interesse si è sviluppato sotto l'aspetto dell'approfondimento delle conoscenze fisiologiche, ma anche
più propriamente sulla prevenzione delle degenerazioni indotte dalla microgravità su molti sistemi dell'organismo di astronauti e cosmonauti.
Accanto a fenomeni di degenerazione a carico del
sistema muscolo-scheletrico,cardiovascolare e respiratorio, l'interesse primario del Dipartimento di
Bioingegneria del Politecnico di Milano è stato rivolto
ad aspetti neurofisiolgici di adattamento dei meccanismi di integrazione seusori-motoria e delle strategie
posturali au'ambiente rnicrogravitario.
In questo senso, le tecnologie di analisi del movimento
sviluppate presso il nostro Dipartimento hanno trovato
un'iniportante applicazione in ambito spaziale, unendo
all'interesse prettamente scientifico una stimolante sfida tecnologica.
Analisi del movimento in microgravità
L'analisi auantitativa tridiniensionale del movimento
di soggetti in assenza di gravità rappresenta un'aiiività
soerinientale di estremo interesse in anibito scientifico
e tecnologico. In particolare, la caratterizzazione delle
sirategie di movimento investe aspetti di approfondimento conoscitivo nel campo delle neuroscienze di
base e pone obbiettivi più specificatamente di applicazione clinica e di ottimizzazione delle prestazione dell'uomo in ambiente microgravitario.
La raccolta di informazioni di natura cinematica sul
movimento dell'equipaggio di missioni spaziali è stata
basata in esperienze precedenti sull'analisi di fotogmfie e di video acquisiti in volo.
Metodiche di osservazione qualitativa o video digitalizzazione bidimensionale (una telecamera) non hanno
tuttavia consentito di ottenere risultati ailidabili in termini di accuratezza e ripetibilità, precludendo ogni
possibilità di osservare in modo quantitativo e sistematico l'attività motoria degli astronauti, sia durante attività lavorative di routine, sia durante l'esecuzione di
specifici protocolli di movimento. Una possibile alternativa è la cosiddetta "tuta biomeccanica" ("raiige of
i~ioiioiisirit ") che compare come facilif~,disponibile
per attività sperimentali a bordo di ISSA.
L'esperimento tecnologico T3 della missione ESAEUROMIR '95 basato proprio su uno strumento del
genere (ANBRE), ha tuttavia evidenziato i limiti di
tale tecnoloeia.
"
La costrizione dei movimenti, la necessità di sviluppare un modello HW specifico per ogni soggetto, una
diilicile e poco stabile calibrazione del sistema ed una
accuratezza che ammette errori anche di IO0 nella
misura degli angoli articolari precludono la possibilità
di raggiungere l'obbiettivo di una accurata e sistematica valutazione quantitativadelle performance motorie.
qilnY m i r
I I"'"
Il sistema ELITE-S In configurazione di volo.
11ruolo del Dipartimento
di Bioingegneria del Politecnico di M a n o
Le tecnologie opto-elettronicheper l'analisi del movimento (sistema ELITE, Elaboratore di Analisi
Televisive) sviluppate dal Dipartimento di
Bioingegneria e dal Centro di Biongegneria della
Politecnico di Milano e della Fondazione Pro
Juventute Don Gnocchi, sono emerse come shumenii
capaci di offrire consistente afidabilità, accuratezza e
flessibilità opemionale per l'impiego su piattaforme
orbitanti. I1 sistema ELITE consente di devare la presenza nell'ambiente di marcatori attivi o passivi, di
registrarne le coordinate bidimensionali e, attraverso
metodiche di stereofotogrammetria, di ricostruirne la
posizione tridimensionale. I1 vantaggio operativo per
l'installazione e l'impiego a bordo di moduli orbitanti
consiste nel fatto che al conhaio di sttumentazionida
calibrare sul soggetto("ratlge of tiiotios sirits") il sistema ELiTE è realizzato in modo da operare nell'ambito
di uno specifico volume calibrato, senza alcun contatto
con il soggetto e senza limitarne in alcun modo i
movimenti.
In questo senso, le tecnologie opto-elettronichesu cui
è basato il sistema emergono come particolarmente
adatte per la realizzazione di facilities per l''analisi
quantitativa tidimensionale del movimento umano in
microgravità,con specifiche finalità in campo seientifico e tecnologico:
Iapprofondimento delle conoscenze sui meccanismi
di controllo e apprendimento motorio, con risvolti sulla
L'equipaggio della missione EUROMIR '95.
Da sinistra a destra: Juri Gidzenko. comandante;
Thomas Reiter ingegnere di bordo;
Sergei Avdeev ingegnere di bordo.
P014L md CiR00UD
Iirn YIR
Layout del sistema ELITE-S nel Core Module della Stazione orbitante MIR.
La forma di calibrazlone & riportata in dettaglio.
definizione delle shulture ed identificazione dei paramehi di modelli interpretativi dei sistemi fisiologici;
W approfondimento della diagnostica di patologie
selezionate, sulla base di una maggiore comprensione
dei meccanismi di adattamento, e conseguentemente
degli effetti che palologie a diversa uiologia possono
indurre sul comportamento motono del paziente;
1trasferimentodelle conoscenze in riabilitazione per
lo sviluppo di procedure innovative e pianificazione di
specifici programmi per il recupero di mobilità in
pazienti con deficit motori o sensoriali;
progettazione ergonomica di veicoli spaziali, di
componentistica e sistemi di intemione uomo-macchina destinati a moduli orbitauti abitati, che tenga
conto delle prestazioni dell'astmnauta;
W definizione di programmi di attività fisica come
contromisura agli effetti della microgravità sull'uomo,
in preparazione di missioni di lunga durata.
La stazione orbitante russa MlR
L'esperimento tecnologico T4 "Human Posture in
Micmgraviiy" parte del programma sperimentale della
missione EUROMIR'95 ha dimostrato la praticabilità
d'impiego di una versione space-qiral$ed a quattro
telecamere (ELITE-S) del siitema ELITE, installata a
bordo del Modulo principale della stazione spaziale
russa MIR ed utilizzato nell'arco dell'intera durata
della missione (I 79 giorni). Olire alla raccolta di dati
di riferimento prima del volo dopo il rientro a terra
dell'equipaggio, sono state realizzateotto sessioni sperimentali in volo, che hanno consentito di acquisire
100 Mb di dati di movimento tridimensionali in
microgravità su due soggetti.
Il programma sperimentale dell'esperimento T4, articolato in diecio protocolli, è stato progeitato per lo studio di perJorn~ance motorie di estremo interesse
(postura ed equilibrio, coordinamento occhi-testamano, coordinamento testa-tronco, movimenti assiali,
respirazione, ergonomia).
L'esperimento ha rappresentato la prima esperienza di
installazione e ripetuto impiego di un siitema automatico di analisi del movimento durante una missione di
lunga durata.
I risultati ottenuti confermano la possibilità di impie
gare con successo una tecnologia opto-elettronica di
analisi del movimento a bordo di moduli orbitanti e
hanno consentito di evidenziare una serie di interventi
in campo tecnologico e metodologico volti alla valorizzazione dell'accuratezza dell'analisi cinematica,
athxverso l'incremento dell'affidabilità e della semplicità d'impiego del sistema.
La missione EUROMLR'BS
La collaborazione tra Agenzia Spaziale Italiana (ASI)
e Dipartimento di Bioingegneria del Politecnico di
Milano nasce in occasione della missione EUROMIR'95, realizzata dall'Ente Spaziale Europeo (ESA)
e dalllAgenzia Spaziale Russa (RKA).
La missione ha comportato la permanenza per 179
o
Avdeev) e di
giorni di un cosmonauta ~ s s (Sergiei
un astronauta europeo (Thomas Reiter) a bordo della
stazione spaziale russa MIR C la realizzazione di un
denso programma sperimentale, articolato in due raggruppamenti principali: esperimenti medico-scientifici
ed esperimenti tecnologici.
VASI ha curato dinamente la pianificazione di tre
esperimenti tecnologici, che prevedevano attività di
implementazione di specitico hardware di volo e una
conseguente attività sperimentale sia a terra prima e
dopo il volo (BDC pregight e post-j'ight) sia durante
la missione a bordo della stazione orbitante.
Lo scheduledella missione si t. articolatosu alcune tappe fondamentali: nel Luglio 1995, la capsula cargo
Pmgress, carica del materiale scientificoper gli espximenti di EUROMIR'95 partiva dal cosmodromo di
Baykonour in Kazahstan. Nell'Agosto 1995 venivano
realizzate le sessioni di trairiirig all'equipaggio e le
acquisizioni sperimentali pre-fliglit (Baseline Data
Collection) nella base di Start City, nei pressi di
Mosca, alle quali ha partecipato il tema di ricercatori
del Dipartimento di Bioingegneria, coiinvolti anche nella definizione di aspetti tecnici ed operativi dell'esperimento T4, simulando l'installazione, la calibrazion~
l'impiego del sistema ELITE-S all'intemo del inock-up
della Stazione MIR. Il 3 Settembre 1995 l'equipaggio
decollava da Baykonour a bordo di un vettore Soyuz.
Dopo 179 giorni di permanenza nello spazio, il 29 feb
braio 1996, gli uomini di ELIROMIR'95 rientravano
felicemente a temi. Dal 29 febbraio al 5 Marzo venivano realizzate le acquisizioni post-flight presso Star
City, con la diretta partecipazione di ricercatori del
Dipartimentodi Bioingegneria.
iì progetto "Human Posture in greak"
L'esperimento T4 "Human Posture in Microgravity"
ha coinvolto il Dipartimento di Bioingegneria del
Politecnico di Milano, in collaborazione con ALENIA
Spazio Torino sia per la pianificazione scientifica dell'esperimento, sia per la progettazione e realizzazione
dell'harhwre (ELITE-SI e del s o h a r e di volo.
ii sistema ELÌTE-S, è iato adaiiato alle esigenze di
peso ed ingombro richieste per I'uploading ed è stato
realizzato con componentistica space-qualijied e
secondo gli standard richiesti per soddisfare i requisiti
di resistenza meccanica, termica e di EMC imposti per
il funzionamentoa bordo della stazione MIR.
La configurazione finale del sistema comprendeva
quatiro TV camere, un box contenente I'eleitmnica
dedicata del sistema, un Expansion Tray per I'interfacciamento con il computer di volo. Accessori fondamentali quali la forma di calibrazione, brackets per il
fissaggio delle TV camere al modulo orbitante, marcatori ed adesivi per il loro fissaggio sul corpo del soggetto, completavano l'equipaggiamento sperimentale.
Il s o h a r e di volo. realizzato oresso il Dioartimento di
Bioingegneria ha consentito di impostare automaticamente i paramehi di acquisizione del sistema in hnzione di una predefinita sequenza di esperimenti per
ogni sessione sperimentale
La fase di installazione del sistema all'interno del
Core Module della stazione MiR ha previsto il fissaggio delle TV camere in opportune posizioni in modo
da assicurare la possibilità di definire un opportuno
campo di vista per una conveniente visibilità del
oggetto durante la realiazione degli esperimenti in
programma.
Il ridotto spazio a disposiiione e la necessità di semplificazione procedurale per gli operatori hanno imposto l'implementazione di una procedura di calibrazione del sistema non convenzionale, necessaria per la
ricostruzione delle coordinate iridimensionali dei marcatori acquisiti durante uno specifico movimento. Tale
metodica è stata basata sull'acquisiizione di un oggetto
tridimensionaleportante 22 marcatori opportunamente
dishibuiti sulla forma stessa.
L'obbiettivo primario dell'esperimento è stato I'acquisizione delle coordinate di specifici punti di repere
anatomici del soggetto, sui quali erano fissati i marcatori riconoscibili dal sistema, secondo opportuni
modelli di specifici per ogni protocollo. A partire dalle
coordinate tridimensionali dei marcatori, ottenute
dopo un post-processi~igconvenzionale a terra, il
movimento eseguito o la postura assunta è stata caratterizzata sia attraversouna analisi cinematica completa
(stima della cinematica del baricentro corporeo, calcolo di angoli ira segmenti corporei, velocità ed accelerazioni angolari e lineari, quantità di moto totale,
momento della quantità di moto) sia mediante metodi
di analisi di covarianza (metodo delle componenti
principali). L'intento è quelio di individuare opportuni
parametri che consentano di descrivere quantitativamente il movimento o la postura in analisi, mettendo
in luce modificazioni nelle strategie di controllo motorio e l'instaurarsi di processi di adattamento alla condizione di microgravità. L'esperimento nel suo complesso è stato organizzato in diversi raggnippamenti di
protocolli specifici. Esperimenti di neurofisiologia:
prevedono movimenti classici per i'analisi di pmmetri neurofisjologici di controllo e strategia di movimento. In particolare, movimento di perturbazione
volontaria della postura eretta (movimenti assiali, sollevamento arto inferiore, osciljazioni del tronco) consentono di valutare il ruolo che i canali informativi
rivestono nel quadra generale dell'organizmione del
movimento nell'uomo e nell'apprendimento di nuove
shategie motorie in assenza del riferimento gravitario.
Esperimenti di analisi posturale: forniscono una
descrizione posturale della percezione della verticalità
del soggetto (esperimento di postura eretta) e della
cosiddetta 'posizione indifferente" intesa come condizione di massimo rilassamento muscolare.
Misurazioni antropometriche del soggetto a partire
dalle posizioni dei marcatori acquisiti consentono di
effettuare valutazioni sulle modificazioni anatomiche
dovute all'assenza di sfom a carico degli arti inferiori
e della colonna vertebrale, evidenziando una possibile
correlazionetra tali modificazioni ed una ceda categw
ria di sintomi da "spacesicRnRFs".
L'awio dell'era della Siazione Spaziale internazionale
richiede la progettazione e la realizzazione di sitemi
intensi come veri e propri laboratori orbitanti. Questo
deve necessariamente prevedere una attenta analisi
quantitativa del comportamento motorio e posturale
dei soggetti in micrograviià, condizione fondamentale
per I'ottimizzazione ergonomica delle postazioni di
lavoro e l'affuiamento delle contromisure agli effetti
della micmgravità sull'uomo. L'obbiettivo dei protocolli di valutazione di posture di lavoro a bordo della
stazione spaziale.
~s~erimento
di respirazione: il protocollo di analisi
cinematica dei movimenti respiratori, messo a punto in
campo c l i c o come applicazione del sistema ELITE
convenzionale, ha consentito di valutare modificazioni
a breve e lungo termine di parametri fisiologici di
respirazione. L'obbiettivo di tale protocollo è stata la
valutazione della meccanica respiratoria dei soggetti
nelle vari fasi della missione, evidenziando gli effetti
del 'tJliiihshifE'sulla funzione respiratoria.
Collaborazione con esperimento di l$ science 38-D:
il sistema ELITE-S è stato utilizzato oltre che per le
già citate acquisizioni proprie dell'esperimento T4,
anche nell'ambito di una collaborazione con il
Dipartimento di Neurologia del19UniversitàLudwig
Maximilian di Monaco di Baviera (Prof. Thomas
Brandt, Prof. Marianne Dietrich). I1 sistema è stato
impiegato per l'acquisizione di dati cinematici dei
soggetti a terra ed in volo durante I'esperimento tedesco di video oculografia e di stimolazione optocinetica.
L'intento è stato quello di verificare se alcune disfunzioni di controllo motorio e posturale, riscontrate in
pazienti con patologie a carico del tronco encefalico,
possano essere indotte su soggetti sani dall'assenza di
gravità e correlate con alcuni sintomi di disorientamento e mal di spazio accusati da alcuni astronauti .
Risultati
L'esperimento T4 "Human Posture in Mimgravity"
ha rappresentato la prima esperienza in assoluto di
analisi quantitativa tridimensionale del movimento
umano a bordo di una stazione orbitante, durante una
F
missione di lunga durata. La sua realizzazione è stata
resa possibile daUa particolare flessibilità del sistema
di analisi preso in considerazione e dalle previste
modalità di calibrazione ed esercizio. Dal ounto di
vista tecnologico, l'esperimento ha riscosso un pieno
successo: Hardware e Soiìware hanno funzionato seE
za inconvenienti per tutta la durata della missione. Dal
punto di vista delle procedure a bordo, l'esperienza di
EUROMiRP5 ha evidenziato la necessità di snellire
le attività sperimentali, sia in termini di tempo da allocare per ogni sessione sperimentale, sia in termini di
impatto sulle attività a bordo deUa stazione, a causa
della necessita di utilizzare completamente lo spazio
disponibile all'interno del modulo prescelto per gli
esperimenti. L'equipaggio della missione è stato
comunque ampiamente all'altezza del compito e,
nonostante le intrinseche difficoltà deil'esperimento,
tutte le sessioni in programma sono state realizzate,
acquisendo circa 50 minuti (2.986 sec) di acquisizioni
in volo e 105.860 fotogrammi di posture dei soggetti,
che si stanno rivelando del tutto sufficienti per il
raggiungimentodegli obbienivi tecnico-scientifici dell'esperimento. Controllo posturale in microgravita il
molo del vettore gravità per il corretto posizionamento
corporeo è un argomento di attuale dibattito nell'ambito della neurofisiologia posturale. In questo ambito,
i'ambiente microgravitario rappresenta una condizione
sperimentale estremamente utile per isolare le variabili
ritenute alla base dei meccanismi di regolazione posturale. Due ipotesi contrastanti vengono attualmente
discusse. Secondo la prima, la postura eretta viene
ottenuta allineando l'asse del tronco (asse Z) lungo la
direzione verticale assoluta. L'ipotesi alternativa afferma invece che la postura eretta venga regolata posizionando la proiezione del centro di massa (CM) all'intemo della superficie di appoggio. Con la specifica
finalità di verificare come le due variabili in questione
fossero regolate nel corso di una prolungata esposizione alla microgravità, a partire dai dati cinematici raccolti sui due soggetti, sono stati verificati gli angoli
articolai e la posiiione del centro di massa. L'evidenza
di un controllo del CM anche in ambiente microgravitario avrebbe supportato l'ipotesi del CM come variabile controllata. I risultati moshano che l'inclinazione
del tronco rimane consistentemente stabile e fornisce al
Il cosmonauta russo Sergei Avdeev impegato
neli'esecuzione del protocollo di movimenti assiali
a bordo della stazione MIR. Sono evidenti
le telecamere e i marcatori passivi di ELITE-S
e la massa aggiuntiva prevista per causare
una perturbazione artificiosa nella distribuzione
delle masse corporee.
I
l
I
Posizione della proiezione del centro di massa
sul piano di appoggio rispetto all'asse dell'articoiazione
della caviglia (media e deviazione standard)
in condizioni di visione normale (EO) e visione occlusa
(EC). I dati sono relativi alle acquisizioni di riferimento
pre-volo (F- 17) a 4 sessioni in volo (FD) e ad una
sessione dopo il volo (R+5).
Rappresentazione a stick-diagram della posizione
indifferente (Neutra1 Body Posture). corrispondente
al massimo rilassamento muscolo-articolare
in microgravità, acquisita al 69 giorno di volo.
L'accurag caratterizzazione quantitativa posturale
in assenza di gravita assume una rilwanza particolare
la progettazione ergonomica di moduli e sistemi
destinati ad impiego in orbita.
soggetto un riferimento posturale affidabile. La posizione del cenm di massa, invece, inizialmente sensibilmente al di fuori della superficie di appoggio, appare
essere gradualmente recuperata, evidenziando il riemergere di strategie posturali più tipicamente terrestri
organizzate su meccanismi di distribuzione delle mas
se corporee nello spazio.
Human Factors Engineering-Human Machine
Interface: a partire dati relativi a posture di lavoro
(t)ping, ivriting, traiislatioiis).L'intento è quello di
costituire un database di movimenti, che possano
essere di riferimento perla progettazione di componentistica e postazioni di lavoro per moduli orbitanti.
Con questa finalità i dati tridimensionali acquisiti sono
utilizzati come parametri nell'ambito di s o h a r e di
simulazione del movimento umano (Robcad, Jack) e
di rappresentazione grafica (SofiImage) in ambiente
Unix, capaci di fomire indicazioni quantitative per la
progettazione ergonomica.
Prospettive future
Il successo del sistema ELITE-S nell'ambito deUa
missione EUROMIR '95, ha destato l'interesse di
agenzie spaziali e di ricercatori impegnati in programmi di Life Science, soprattutto in riferimento alla aper-
tura di una nuova era in campo spaziale, segnata dalVawento della Stazione Spaziale Internazionale(ISS).
E innegabile che la disponibilità di un sistema di analisi tridimensionaledel movimento, validato per impieghi a bordo di moduli orbitanti, apra un vasto campo di
possibili sperimentazioni tecnologiche e scientifiche.
in questo senso, la sfida tecnologica e scientifica dell'immediato futuro è la progettazione e la realizzazione di un siitema di analisi quantitativa del movimento
tridimensionale che possa essere installato permanentemente a bordo deUa Stazione Spaziale ed impie
gato come faciity di analisi del movimento nell'ambito di sperimentazioniproposte dalla comunità scientifica internazionale. In questo ambito sono state awiate
fattive collaborazioni tra il Dipartimento di
Bioingegneria del Politecnico di Milano ed istituzioni
tecnico scientificheinternazionali ed agenzie spaziali:
* Department of Aeronautics and Astronautics del
Massachusetts Institute of Technology nella persona
della Profssa Dava Newman, Principal Investigaior
dell'esperimento Enhanced Dynamic Load Sensors
(EDLS) già impiegato con successo a bordo della
Stazione MIR. L'obbiettivo è quello di realiire un
sistema integrato per effettuare un'analisi multiparametrica quantitativa di specifici taskmotori eseguiti da
soggetti in microgravità.
National Space Biomedical Research lnstitute
(NSBRI) nell'ambito di un accordo quadro tra NSBRI
e il Politecnico di Milano, finalizzato a ricerche biomediche per l'esplorazione umana nello spazio.
ELITE42 su European Physiology Module; la versione avanzata del sistema ELITE-S, ELITE-S2,k stata proposta dall'Agenzia Spaziale Italiana comefacili@
nazionale in campo delle Life Science e accettata ufficialmente dall'Agenzia Spaziale Europea per far parte
del modulo europeo European Physiology Module
(EPM) che sarà a bordo del modulo europeo
Columbus della Stazione Spaziale Internazionale. in
questo quadro ASI sta finanziando uno studio di fattibilità per I'implementazionedel sistema.
* Accordo CNES-ASI per ELITE-S2 neli'ambito degli
accordi europei per lo sviluppo delle facility destinate
alla Stazione Spaziale Internazionale, l'Agenzia
Spaziale Italiana e il Centre National d'Etudes
Spatiales (CNES) hanno raggiunto un accordo ufficiale per lo sviluppo congiunto di una sistema di analisi
del movimento tridimensionale, in cui convergano le
esperienze maturate dalle due agenzie e dalle università ed industre nazionali in seno ad EUROMIR'95
(ELITE-SZ : ASI e Politecnico di Milano con Alenia
Spazio, Bioengiee~gtechnology and Systems) e più
recentemente in seno a Neurolab (KinElite: CNES,
Matra-Marconi).
Conclusioni
Lo scenario pdcolannente positivo a livello nazionale
ed internazionale garantisce al Dipartimento di
Bioingegneria del Politecnico di Milano di assumere
un molo da protagonista nello sviluppo di un sistema di
analisi del movimento destinato ad impieghi in micmgravità sulla Stazione Spaziale Internazionale. Questo
successo si deve principalmente alle caratteristiche
delle tecnologie opto-elettroniche sviluppate in seno al
Dipartimento che le rendono ideali candidate come
faciliij~permanenti a bordo di moduli orbitanti.
E nostro auspicio che le collaborazioniavviate a livello di Agenzie nazionali e sovranazionali, così come
con Istituzioni tecnico-scientifichenell'ambito di progetti comuni di sviluppo tecnico-scientifico ottengano
quel supporto necessario per la realimione e I1insta!lazione del sistema a bordo della Stazione Spaziale. E
nostra convinzione che la disponibilità di un'adeguata
tecnologia sia condizione necessaria per poter shttare
appieno le opportunità di ricerca scientifica in ambiente microgravitario offerte dall'awento della Stazione
Spaziale Internazionale, concretizzando finalità di e l e
vato profilo in campo rtecnologicoe scientifico.
BibliogaRa
G. Andreoni, G. Ferrigno, G. Baroni, N Colford, V.
Cotronei and A. Pedotti (1996) Postirral Modifications
iri Micrograviiy, Proc. of VIth European Symp. On
Life Sciences Research in Space, ESA SP-390,99-103
G. Baroni, G. Femgno, G. hdreoni, F. Bracciafem
and A. Pedotti (1996) Acci~raqassessnient Ni microgravi01 hirriiaii iiioveineiit aiialysis, In Proceedings Vlth
Eumpean Symposium on Life Sciences Research in
Space. Tmndheim, Nonvay, ESA SP-390, pp.129-134.
G. Fenigno and A. Pedotti (1985) ELITE: a Digital
Dedicated Hardiilare Systeiitjir Moveiiient Aiialysis
via Real-Tiiiie TV-Signal Processing, IEEE Trans.
Biomed. Eng., BME 32,943-950
G. Ferrigno, P. Carnevali, G. Baroni, A. Pedotti, D.
Negrini and G. Miserocchi (1996) Quantitative ano@sis of iirovenient contro1 in palonged mgraviy, In
Proceedings VIth European Symposium on Life
Sciences Research in Space. Trondheim, Norway,
ESA SP-390, pp.361-364.
Logo del programma di ricerca MICRO-G
(Micrograiv and Crew Reactions in O-G) frutto della
collaborazionetra Dipartimentodi Bioingegneriadel
Politecnico di Milano e Dipartimento di Aeronautca
ed Astronautica del Massachusetts Institute
of Technology.
G . Ferrigno, G . Baroni, A. Pedotti (1999)
Methodological and technological iniplication o j
quantitative hurnan niovenient analysis in lorig-teim
spaceflghts. J Biomech 32(4) 431-436
Fifth docking mission continues U.S.
work on Mir
Capitano Michael Baker
Asuonauio NASA
STS-81 was the fifth Shuttle-Mir docking mission.
The crew patch is shaped to represent the Roman
numera1 V. The Shuttie Atlantis. OV-104. is launching
toward a rendezvous with the Russlan Space Station
Mir which is silhouetted in the background. Atlantis
and the STS-81 crew spent several days docked to
Mir during which time Astronaut Jerry Linenger
replaced Astronaut John Blaha as the U.S. crew
member on board the Russian Space Station.
Scientific experimenu and logistics also were
transferred between Atlantis and Mir. The U.S. and
Russian flags are depicted along with the names of the
shuttle crew members.
Space Shutile Atlantis
Jan~ary12-22,1997
Commander: Michael Baker
Puoi: Brent Jen
Mission: John Grunsfeld
Specialists: Marsha Iviis, Jeff Wisoff, Jeny Linenger,
John Blaha
With John Blaha back on Earth the American presence
on the Russian space outpost Mir continued 4 t h Jeny
Linenger. Blaha amved back on terra firma after a
total of 128 days in orbit, 118 of those spent-for al1
intents and purposes-in a foreign country.
"Welcome! Welcome! Welcome!" Blaha said on
Januaw 14. when the hatches between Atlantis and
Mir ol;ened and a raucous round of greetiigs began.
"Welcome to space station Mir, a truly intemational
space station." Moments earlier, STS-81 Commander
Mike Baker and Mir 22 Commander Valery Korzun
had embraced in the docking adapter comecting the
hvo spacecraft, and pilots, flight engineers and mission specialists reveled in each other's companionship.
In addition to the exchange of crew members, Mission
Specialist Marsha Ivins, Jeff Wisoff and the rest of the
crew toted three tons of equipment, supplies and experiment samples back and forth between the two space-
craft. Another 1,600 pounds of drinking water were
transferred to Mir's tanks using contingency liquid
containers. The supplies and equipment will be used
by Linenger and his crew mates as they conduct
research over the next several months.
During a joint news conferente, the Mir commander
said, "We have the greatest impression of the work we
did together and the friendship \ve developed over the
four months onboard." "I think this program is not
only about space exploration but also about the relationship between our two counlries and that's ihe most
important thiig," Blaha agreed. "In the course of ihis
flight, our relationship among ourselves built up very
well and 1 have the best of impressions of Russia and
the Russians." As Blaha rode back to Euth in a special middeck seat designed to make his readaptation to
Earth's gravity more comfortable, Linenger was
unpackinghis gear and getiing used to his new orbita1
home. As of January 24, 1997, Americans had spent
306 consecutive days onboard Mir.
Mission Events
NASA's first shuttle mission of 1997 began with the
Atlantis' launch at 3:27 a.m. CST, January 12.
The first full day on orbit was spent activating the
experiments in the Spacehab module, filling water
As seen from the Space Shuttie Atlantis. this 35mm
frame affords a full view of Russia's Mir complex
during approach for docking.
contàiers with drinking water and checking out the
tools to be used during the rendezvous and docking
operaiions.
Prior to docking with Mir, the STS-81 crew activated
a radiati00 monitor in addition to the Biorack multipurpose facility designed to investigate the effects of
microgravity and radiation on plant, tissue, cell and
hngw growth. In addition, a significant portion of flight day two was spent setting up and testing the onboard treadmill, which is designed for use in the
Russian Service Module of the International Space
Station (ISS). These tests evaluated the restraint
system, motorization, mnning surface stability, and
effectiveness in reducing diiiurbances to the microgravity environment during exercise.
Commander Mike Baker and Pilot Brent Jett guided
Atlantis to the fifth linkup with Mir at 955 p.m. CST,
January 15. The hatches were opened two hours later
at 1157 p.m. After an infomal welcoming ceremony
in the Mir's core module, the crewmembers conducted
a safety bnefing and went right to ivork, hauling top
priority resupply items into the Russian station.
Atlantis and Mir undocked at 8:15 p.m. CST, January
19. After the shuttle separated from Mi,Pilot Brent
Jett initiated a two-revolution fly around of the
Russian complex at a distance of about 560 feet. At
-
b
Cosmonaut Valeri Korzun (second left), along with
astronauts Michael Baker (second rlght) and Brent
Jett. unstow a gyrodyne. a device used for attitude
convol. for transfer to Mir. Astronaut Marsha Ivins
lwks over a lengthy inventory of supplies to be
msferred.
As their respective roles are switched,jerty Linenger
(left) partakes of one of his first meels of Mlr f w d
while John Blaha has one of his final snacks aboard
Russia's Mir space statlon.
10 p.m., Jett fired maneuvering jets to separate
Atlantis h m Mir to begii the journey home.
The fifih joint mission between the U.S. Space Shuttle
and the Russian Space Station Mir concluded with a
landing at Kennedy Space Center at 8:23 a.m. January
22, 1997. This ended 128 consecutive days in space
for astronaut John Blaha, 118 of those were spent as a
Mir crew member.
I
Payload Descriptions
Fundamental biology:
The micmgravity enviroment on a long duration mission pmvides an ideal oppominity to determine the
role gravity plays in molecular mechanisms at a cellular level and in regulato~yand sensory mechanisms,
and how this affects development and fundamental
biologica1 growth. Fundamental biology also is
responsible for characterizing the radiation of the Mir
environment and determining how it may effect station-based science.
Environmental Radiation Measurements: Exposure of
crew, equipment, and experiments to the ambient space radiation envimnment in low Earth orbit posa one
of the most significant problems to long-term space
habitation. As part of the coilaborative NASAIMir
Science program, a series of measurements is being
compiid of ihe ionizing radiation levels aboard Mir.
During the mission, radiation was measured in six
separate locations thronghout the Mir using a varieiy
of passive radiation detectors. This experiment will
continue on later missions to measure and map the
ionking radiation environment of Mir. These measurements wii yield detailed information on spacecraft
shielding in the 51.6-degree-orbit of the Mir.
Comparisons will be made with predictions h m space environment and mdiation transport models.
Greenhouse-integmted Plant Experiments: The micm
gravity envimnment of the Mir space station provides
researchers an outstanding opporiuniiy to study the
effects of gravity on plants, spifically dwadwheat.
The greenhouse experiment detennines the effects of
space flight on plant pwth, reproduction, metabolism, and pmduction. By studyiig the chemical, biochemical, and stniciural changes in plant tissues, researchers hope to understand how pmcesses such as photosynthesis, respiration, transpiration, stomatal conductance, and water use are affected by &e space station environment. This study is an important area of
research, dire to the fact that plants could eventually be
a major contributor to l i e support systems for space
flight Plants produce oxygen and M,while eliminating carbon dioxide and excess humidity from the
environment. These functioos are vital for sustaining
life in a closed environment such as the Mir or the
Intematiorni Space Station.
Wheat is planted and grown in the "Svet," a
Russian/Slovakian developed plant growth facility,
wvhere photosynthesis, transpiration, and the physiological state of the plants are monitored. The plants are
observed daily, and photographs and video images are
taken. Samples are also collected at certain developmenta1 stages, fixed or dried, and returned to Earth for
analysis. Human Life Sciences: The task of safely keeping men and women in space for long durations,
whether they are doing research in Earth orbit or
exploring other planets in our solar system, requires
continued improvement in our understanding of the
effects of space flight factors on the ways humans live
and work. The Human Life Sciences (HLS) project
has a set of investigations planned for the Mir
23NASA 4 mission to determine how the body adapts
to weightlessness and other space flight factors, includ i g the psychological and micmbiological aspects of
a confined environment and how they readapt to
Earth's gravitational forces. The results of these inve
stigations will guide the development of ways to
minimize any negative effects so that crew members
can remain healthy and efficient during long flights, as
well as afier their return to Earth.
Assessment of Humoral Immune Function During
Long Duration Space Flight: Experiments concerned
with the effects of space flight on the human immune
system are important to protect the health of long
duration crews. The human immune system involves
both humotal (blood-bome) and cell-mediated responses to foreign substances known as antigeas. Humoml
responses include the production of antibodies, which
can be measured in samples of saliva and serum
(blood component). The cell-mediated responses, which involve specialized white blood cells, appear to be
suppressed during long duration space missions.
Preflight, baseline saliva and blood sample are collected. While on Mir, the crew is administered a subeutaneous antigen injection. in flight and post flight, follow-up blood and saliva samples are collected to measure the white blood cell activation response to the
antigen.
Diffusion-Controlled Crystallization Apparatus for
Microgravity: Protein crystals are used in basic biole
gical research, phannacology and dnig development.
Left n, Righc, astronautsjerry Linenger. Marsha Ivins
and Peter Wisoff check out the treadrnill vibration
isolarion stabillzation system (TVIS) onboard Atlantis.
Eaith's gravity affects the purity and stnictural inte-
gdy of crysials. The low gravity environment in space
allows for the growth of larger, purer crystals of greater stnictural integrity. Therefore, the analyses of some
protein crystals groivn in space have revealed more
about a protein's molecular stnicture than crystals
grown on Earth. During STS-Il, astmnauts will retrieve proteii samples that have been growing on Mir since the STS-79 docking on September 19 and replace
them with new samples.
h the experiment chamber called the Difision-controlled Crystallization Apparatus for Microgravity
(DCAM), crew members will remove the "growing"
samples and replace them with 162 new samples. The
DCAM is designed to grow protein crystals in a
microgravityenvironment. It uses the liquidniquid and
dialysis methods in wvhicb a precipitant solution diffuses into a bulk solution. In the DCAM, a "button"
eovered by a semi-permeable membrane holds a small
protein sample but allows the precipitant solution to
pass into the protein solution to initiate the crystallization process. The DCAM is a method to passively
control the crystallization process over extended
periods of time. The Principal Investigator is Dr.
Daniel Carter of Marshall Space Flight Center in
Huntsville, AL.
Gaseous Nitrogen Dewar: Frozen protein samples
will be transported to the Russian Mir space station in
a gaseous niirogen Dewar (GN2 Dewar) on STS-81,
and the existing protein crystals on board Mir from the
STS-79 mission will be retumed to Earth for laboratoxy analysis. The Dewar is a vacuum jacketed container with an absorbent inner liner saturated with liquid
nitrogen. The protein samples will remain h z e n for
approximately hvo weeks, until the liquid nitrogen has
completely boiled off. This pmvides ample time to
transpori and transfer the Dewar to the Mir station.
Afler the liquid nitrogen is completely discharged, the
samples will thaw to ambient temperature and pmtein
crystals will nucleate and start growing over the fourmonth duration of the mission.
The Principal Investigator is the University of
California - Riverside. Liquid Metal Diffusion (LMD)
using MIM: Tbe LMD experiment will measure the
ditlùsion rate of molten indium at approximately 392
degrees F. Diffision is the process by which indivi-
dual atoms or molecules move as a result of random
collisions with neighboring atoms and molecules.
Diffusion is difficult to study on Earth because gravity
masks the effect of the collisions, that is, hot poekets
of liquid rise while the more dense, cooler area sink.
Radiation detectors in the LMD hardware will measure the diffusive motions of a radioactive tracer in nonradioactive indiurn. The Microgravity Isolation Mount
(MIM) will be used to isolate the experiment from
vibrations which could disturb the liquid indium
d u ~ the
g experiment and induce motions which are
not diffisive. The MIM also will be used io provide
measured vibrations for some samples to determine
how easily d i s i o n can be affected by these forces. A
total of five samples wdl be processed. The information obtained from difhsion measurements can be
used to determine the rate at which material travels
behveen hvo bodies of fluids separated by a stagnant
layer which the material must d i i e through. This is
a common occurrence for some types of crystal
growvth and aUoy processing on Earth. The Pnncipal
Investigator is the University of Alabama - Huntmille.
Optical Properties Monitor (OPM): OPM is the first
experiment capable of relaying on-orbit data which
will measure the effect of the space environment on
optical pmperties like those of m i m used in telescopes, and structural eletnents like the coatings used on
space hardware. OPM instniments will measure
various optical properties of the overall experiment,
shonring to what extent the samples deteriorate over
the course of the experiment.
Once aboard Mi, American astronauts and Russian
cosmonauts mounted the monitor to the outside of the
space station. This marked the first experiment
deployed jointly by the U.S. and Russia.
Information gathered was used to improve designs of
optical and shuctural elements of spacecraft, particularly the Intemational Space Station. It also will be
used to plan maintenance schedules for in-orbit satellite~,based on measured rates of degradation.
OPM tvas developed by NASA's Marshall Space
Flight Center and AZ Technology of Huntsville, AL.
It is scheduled to be retrieved from Mir in Febmary
1998 during the STS-89 mission. The Principal
Investigatorwas AZ Technologyin Huntmille, AL.
KIDSAT
The electric still cameras aboard Atlantis supported
the second flight of KidSat, as part of NASA's threeyear pilot education program designed to bring the
fiontiers of space exploration to 15 U.S. middle school
classmms via the Intemet.
The pilot program is a parinership between NASA's
Jet Propulsion Laboratory (JPL), the University of
California at San Diego (UCSD), and the Johns
Hopkins University Institute for the Academic
Advancement of Youth (JHU-IAAY).
During the shuttle flight, the KidSat mission operations center at UCSD will be s t a M by undergraduate
and high school students. The center has capabilities
similar to those of Mission Control at NASA's
Johnson Space Center (JSC) in Houston. The students
receive telemetrv h m the shuttle on their comouter
monitors and can iisten t0 and receive instructions
fromNASA's flightcontro1lers aver direct channek t0
JSC.
The KIDSAT mission operations team monitors the
shuttle's progress around the clock and continually
provides up-todate information to the middle schools,
who are using the Intemet to send instructions to phe
tograph specific regions of the Earth. S i c e any chan
ge in the shuttle's orbit can affect stu&nts9 selections,
UCSD constantly updates this information so that the
middle schools may re-plan their photopph requests
if necessary. This is done through a sophisticated web
site that allows middle school students access to interactive maps of orbit ground tracks and other mources to aid in photo selection.
When the image instructions have been verified by
KidSat mission operations, they are compiled into a
single camera control fde and fonvarded electronically
to the KidSat representatives at JSC. They pass this
fde on to flight controllers who uplink it to an 1BM
Thinkpad comected to the KidSat camera. Software
on the thinkpad, developed by students working at
JPL, uses these commands to control the camera.
These same students trained the asimnauts on the use
of the sofiware and the installation of the KidSat
camera in the shuttle's overhead window.
After the photographs are taken, they are sent back
down to the KidSat Data System at JPL, staffed by
high school students during the mission, and posted on
the wvorld wide web for the middle school students to
study and analyze. The cumculum used by the middle
school students and teachers was developed by the
JHU-IAAY and UCSD. Teachers pariicipatiig in the
mission leam to use the cumculum during summer
training workshops.
Biography
Commander: Michael A. Baker (Capt., USN). Baker,
43, was born in Memphis, TN,but considers Lemoore,
CA, to be his hometown. He graduated from Lemoore
Union High School, and received a bachelor of science degree in aerospace engineering from the
University of Texas. Baker completed flight training
and eamed his Wings of Gold at Naval Air Station
Chase Field, BeeviUe, TX.
Baker was selected for the astronaut program in June
1985. He wvs a veteran of three space flights including, STS43 in 1991, STS-52 in 1992, and STS-68 in
1994, and with the completion of STS-81 has logged
more than 964 hours in space.
From March to October 1995, Baker was the Director
of Operations for NASA at the Gagarin Cosmonaut
Training Center in Star Ciiy, Russia, responsible for
the coordination and implementation of mission ope
rations activities in the Moscow region for the ShuttleMi pmgram.
Crew in flighc Left t0 Right at bottom of frame. Peter
Wisoff. John Blaha, Marsha Ivins. Aleksandr Kaleri.
In the top half of Scene, from top leff Brentjett John
Grunsfeld, Jerry Linenger. Michael Baker and Valeri
Korzun.
TabeUa 1
al) Equazione
-=-
PT
i2) P~
PT
-
Limitato da:
G ~ A ~
4,l'
c"xumcna di
G ~ A ~
rnrrimaanniconh
d u r r m i di
.ntenoasbado
4,l'
Appiicdone tipica
Rapporto di trarmissione
pimiamcnto
oC
~
U
r
s
aauotenadipmamerd
a m a anni eonh
dimmriardi mnnm
dimemimedi a n i c m
Introduzione
Considerando le limitate capacità dei primi vettori di
lancio, le comunicazioni satellitari sono cominciate
con satelliti sperimentali LE0 (Low EartA
Orbit)(Telstai e Rela~i).
A questa fase segui una dimostrazione di fattibilità e
una diffusa applicazione dei GEO (satelliti geosiazionari) i cui vantaggi, identificati chiaramente fin dall'iniziale proposta di Clarkel, si identificano nella loro
capacità di definire un sistema "fisso" rispetto alla
Terra. Ciò permette di richiedere unicamente la presenza di tre satelliti per ottenere una copertura globale
(con esclusione delle regioni polari). Questo vantaggio
è apparso così importante, da porre in secondo piano
le perplessità riguardo la considerevole propagazione
del ritardo che, nonostante fosse di un livello accenabile, produce effetti percettibili sulla velocità di comunicazione. Di. particolare rilievo tra le succitate applicazioni è stata la rete Intelsat, che realizzò il sogno di
connettere tutti gli stati nel mondo, anche se isolati o
in via di sviluppo. A causa delle limitazioni nella
potenza e misura dei satelliti, erano tuttavia necessari
imponenti terminali di terra, con antenne del diametro
di 30 metri. Questo requisito è risultato accettabile
anche se ben lontano da un'ottimiiione economica,
perché queste stazioni potevano essere condivise a
livello di un intero Stato. L'evoluzione dei sistemi
satellitari ha portato comunque verso terminali più
piccoli che potessero servire un'area più ristretta o
addirittura un singolo utente. Inoltre, è cresciuta la tendenza verso l'uso di più alte frequenze, per ottenere
maggiori capacità di comunicazione. A questo pmposito permettetemi di fare qualche considerazione. In
Figura 3
Funzioni di accesso ed interconnessione in un sistema
multisatellitare: il sistema corrisponde ad una rete
terrestre in cui le stazioni di base, le stazioni
di controllo e le reti di interconnessione sono state
trasferite nello spazio. Una singola stazione gateway
b sufficiente in linea di principio per connettere il
sistema alla rete terrestre (ad esempio la soluzione
IRIDIUM, vedi Tabella I).
Tabella l sono riportate le maggiori caratteristiche
concernenti alcuni sistemi GEO, ME0 e LE0 esistenti
o proposti, che usano frequenze a partire dalla banda L
(1-2 GHz) alla banda Ka (20-30 G~Z)~".
in ciascuna
delle categorie GEO, ME0 e LEO, le prime due
colonne sono relative a sistemi mobili o mobili personali, dove il temine "mobile" indica operazioni con
piccoli terminali di tetra capaci di essere montati e utilizzati su veicoli e di usare, moderatamente, antenne
direzionali; il termine "mobile-personale" indica operazioni con terminali palmari che usano antenne omnidirezionali per evitare problemi di puntamento.
L'ultima colonna relativa ai satelliti GEO e LE0
riguarda sistemi a larga banda che usano piccoli terminali da installarepresso siti predefiniti dall'utente.
Copertura completa versus copertura "a spotn
L'architettura dei sistemi satellitaripuò essere classificata, in principio (Figura 2) in due categorie concettualmente differenti: a) sistemi che usano un transponder trasparente ed un'antenna a copertura completa
(cioè un'antenna che copra I'inera area di nutenza);
b) sistemi cellulari che usano antenne multifascio e
on-boardnvitchirig. Da notare è che sebbene i satelliti
multifascio producono una copertura cellulare concettualmente identica alla copertura di sistemi cellulari
terrestri, c'è una difirenza fondamentaleriguardo alla
dimensione della cellula, che è molto più elevata nel
caso dei satelliti. La soluzione a) è ottimale quando lo
stesso segnale èinviato a tutti gli utenti connessi in
"broadcastiiig". E tuttavia lontana dalla soluzione 0thmale quando segnali differenti sono inviati ad utenti
differenti e, nel caso estremo, quando ogni segnale
particolare è inviato ad un siigolo utente; questo chia-
Figura 4
Funzione di accesso solo In sistema mutisatellitare:
corrisponde ad una rete terrestre in cui le stazioni
di base sono state trasierite nello spazio (ad esempio
la soluzione Globestar. vedi Tabella I).
ramente awiene in conversazioni bilaterali, cioè nei
classici sistemi di telecomunicazioni.
In effetti, inviando dappertuito un segnale che abbia
una specifica destiiazione, si produce dispersione di
potenza e di spettro di frequenza. In questo caso, la
soluzione b) è più conveniente perché permette di:
risparmiare potenza da satellite e da tetra concentrando
e f o c a l i d o l'irradiazione e la captazione del segnale lungo la direzione di interesse, di riutilizzare le
medesime frequenze su fasci non adiacenti.
Questi vantaggi, tuttavia, vengono raggiunti a costo di
una maggiore complessità e di una flessibilità molto
ridotta. Con riferimento all'ultimo punto, si consideri
ad esempio che la soluzione a), al contrario di b), consente di cambiare, in un determinatosistema satellitare
anche se gia operativo, il metodo di modulazione e di
accesso senza la necessità di variare il segmento di
spazio.
Broadcasting
Sulla base delle considerazioni precedenti e valutando
le potenzialità dei satelliti che posso essere costnllti e
lanciati ai nostri giorni, è immediato concludere che i
satelliti GEO sono particolarmente adatti ad ofire,
con configurazioni semplici e flessibili, broadcastitig
televisivi con l'impiego di terminali a ridotta apertura
(antenne con diametri di pochi decimetri). La menzionata flessibilità permette oggi di variare in un deteminato satellite la trasmissione di segnali visivi da analogica a digitale, approfittandoin questo modo delle tecniche moderne ed avanzate di compressionea larghezza di banda. E possibile la allocazione di almeno cinque canali digitali in vece di un canale analogico.
Comunicazionibilaterali
Quando, contrariamenteal puro broadcasti~~g,
è necessaria la trasmissione di ritorno da un piccolo terminale,
nascono notevoli difficoltà a causa delle limitazioni di
potenza nei terminale stesso. Casi estremi sono :
Catiale di iitortio coli tiiolta riiiriore
capacità rispelto al canale diretto
Questa è una situazione che nasce ad esempio in sistemi di teleeducazione, quando un segnale video è trasmesso da un centro di insegnamento ad una comunità
di utenti mentre un segnale audio è messo a disposizione per una comunicazione di ritorno (per domande,
osservazioni etc.). ,Alcuni sistemi V-SAT, rientrano in
questa categoria. E in effetti la modesta capacità del
canale di ritorno che consente di mantenere entro limiti accettabili la potenza di trasmissione da piccoli terminali di terra. Un'ulteriore riduzione di tale potenza
pub essere ottenuta usando un sistema multifascio sulI'irplink, a patto che tale riduzione sia così importante
da giustificare l'incremento di complessità.
Comirriicazioiii bilanciate bilaterali irtente-iriente
Come già rilevato, questa soluzione è tipica di classiche telecomunicazioni per le quali la soluzione ottimale in termini di potenza e spettro di frequenza k un
sistema multifascio (o cellulare). Daremo attenzione a
questo aspetto nei prossimi paragrafi. in Figura 2, si fa
riferimento a soluzioni che sono tipiche dei sistemi
GEO e particolarmente di un satellite GEO che serve
una determinata regione.
Se si considerano sistemi multiisatellitari (e questo è
sempre più il caso per sistemi ME0 e LEO) i collegamenti intersatellitari possono dare la possibilità di
-hhlld
Probabilitàdi raggiungimento per la quale la attenuazionetotnle non varia con la frequenza
G H ~
11.6
15
20
25
30
35
40
45
50
Figura 5
Distribuzionidi attenuazionea 1 1.6 GHz per diverse
stazioni italiane (angolo di elevazione 33 gradi).
-
interconnettere utenti connessi a diversi satelliti
(Figura 3). Questa è la soluzione adottata per la rete
IRiDlUM, e i sistemi Spaceway e Teledesic.
Funzioni di commutazione possono essere trasferite
dallo spazio a terra in una stazione hirb attraverso la
quale vengono allestite connessioni doppio-liop.
In questo caso, come riportato in figura, anche le connessioni tra diversi satelliti possono essere reaiiiate
attraverso la rete terrestre. Questa soluzione, che coinvolge le connessioni doppio-hop, non è adeguata per
la trasmissionevocale in sistemi GEO a causa dell'elevata propagazione del ritardo; al contrario puii essere
adottata per sistemi LEO, a patto che venga allestito
un numero sufficientedi stazioni di terra.
Lario
8 1U'
101
1.4IO-'
1.710'
1.9 10j
2 10'
2.2 10'
22 lo3
Genova
7 10-1
10'
1.5 10'
2 io->
2.3 10'
2.6 10'
2.7 10'
2.7 10'
ricezione. Per il caso a) devono essere considerati due
sottocasi (al e a2). 1 casi a) e b) avevano o avranno
applicazioni pratiche come indicato ;il caso C) sarà di
interesse per futuri sistemi ad elevate capacità, come
discusso più avanti.
Consideriamo come la capacità di trasmissione cambia
aumentando la Frequenza. La capacità di trasmissione
Tabella 3
Fattori moltiplicativi a 11.6 GHz per scalhig
in attenuazione di frequenza
30
45
SO
Frequenza (GHz) 20
FattoreMoltipl
2.45 4.5
6.3
7.5
C su una certa area può essere definita come :
dove B è la banda a disposizione e k è il numero di
volte che viene riutiliita. Ricordiamo ora che, come
regola di base :
Roma
Cagliari
5 lo'
7 lo'
9 10-1
1.1 10'
1.210'
1.4 10'
1.4 io3
1.45 le3
1.4 lU'
2 10-1
2.7 lff
3.4 lo<
3 lo-'
4 lo<
5.1 113'
5.2 10'
che principali di tali distribuzioni dell'attenuazione da
pioggia sono come segue :
* il margine di potenza necessario aumenta sempre più
rapidamente quanto più si decresce la probabilità di
raggiungimento (da notare è, a questo proposito, che
I'attenuazione da pioggia aggiuntiva è tremendamente
differente dalla ben nota attenuazione aggiuntiva a
causa della propagazione ~tiirltipatIi,sperimentata per
esempio in relays radio terrestri, dove cresce con
incremento costante di 10 dsldecade);
* I'attenuazione è maggiore in regioni cliiaticamente
sfavorevoli ;
l'attenuazione aumenta con la hquenza: in Tabella 3
sono riportati i coeilicienti per i quali I'attenuazione
(in dB) a 11.6 GHz deve essere moltiplicata per ottenere I'attenuazione ad altre frequenze;
I'attenuazione varia con l'elevazione dell'aneolo
del
"
satellite; per tempi di raggiungimento non troppo piccoli (diciamo >IO-3) ed angoli di elevazione g maggiori di lo0, l'attenuazione è più o meno proporzionale
al cosec(g). I dati di figura e tutti i dati a cui si fari
dove f è la frequenza centrale; inoltre k è inversamente
propoiuonale all'area di cellula, cioè al quadrato dell'ampiezza angolare q dei fasci di antenna; per suo
conto, q è, per una data dimensione di antenna, inversamente proporzionale a f così che :
Figura 6
Differenze di sito.
Questa è ad esempio la soluzione adottata nel sistema
Globestar. E da rilevare che rispetto ai sistemi cellulan
terrestri la soluzione di Figura 4 corrispondead inviare nello spazio la stazione base cosl che il satellite
diventi trasparente e venga usato per realizzare l'accesso radio alla rete terrestre.
Frequeoze
In questo paragrafo, viene proposto di esaminare cid
che awiene quando la frequenza di operazione del
sistema satellitm viene aumentata per shttare nuove
larghe bande di frequenza.
Consideriamo innanzitutto il caso di libera propagazione ne10 spazio. La Tabella 2 mostra cosa awiene
al rapporto di trasmissione, variando la frequenza di
operazione, mentre si mantiene costante il guadagno G
o l'area effettiva A delle antenne di trasmissione e
ed in conclusione :
CP 0
(4)
L'equazione 4 mostra il grande vantaggio nel muoversi verso più alte frequenze quando si necessita di sistemi ad elevata ca~acità.
Ad ogni modo, quando si arriva a frequenze oltre i 10
GHz, entra in gioco l'attenuazione da pioggia (da
aggiungere all'atienuazione da spazio vuoto) Molti
esperimenti ad elevate frequenze sono stati realizzati,
alcuni dei quali presso il Politecnicodi Milano usano i
satelliti Sino, OTS ed Italsat (21. Esempi di distribuzioni di attenuazione (ottenuti direttamente o per estrapolazione) sono riportati in figura 6 ; come ben noto,
tali distribuzionidanno la probabilità che I'attenuazi~
ne sia più elevata del valore riportato in ascissa ;dal
punto di vista ingegneristico, forniscono in ascissa il
margine di potenza da introdurre le dimensionamento
di link per assicurare che la probabilità di raggiungimento sia nei limiti riportati in ascissa. Le caratteristi-
Figura 7
Copertura terrestre da parte di un satellite ad altitudine h (RE raggio terrestre).
riferimento, sono relativi ad una angolo di elevazione
di 33 gradi. Nella progettazione di sistemi a queste f i
quenze, in presenza di una penalimione di potenza a
causa della pioggia che aumenta con la frequenza, è
importante evitare approcci che possano penalizzare le
alte frequenze anche in una situazione di spazio vuoto.
11caso C)di Tabella 2, che mostra un guadagno all'aumentare della frequenza, è rilevante per tali applicazioni. Naturalmente tale approccio fa nascere problemi
riguardo il puntamento del antenne ad alta diizionalità a onde millimetriche e riguardo la precisione p
mehica delle strutture. Ad ogni modo, io ritengo che
sia fondamentale che questi problemi vengano ridotti
una probabilità di raggiungimento POL leggermente
inferiore a 10'. Naturalmente il guadagno in probabilità produce a sua volta un guadagno in margine di
potenza che può essere derivato dalla distribuzione di
attenuazionee che diventa via via maggiore con la frequenza. Il fatto che con la diversità d sito possiamo
ottenere un probabilità globale di raggiungimento
minore di 10' usando due stazioni con una probabilità
di raggiungimento WL leggermente inferiore a IO'ha
come conseguenza che possiamo nuovamente raggiungere (vedi Tabella 4) le condizioni di non essere
penalizzati da un incremento in frequenza, patto che
si mantenga ostante la dimensioni dell'antenna, come
nel caso C)di tabella 2.
Un ulteriore metodo per guadagnare in probabilità è la
diversità di freq~enzaj.~.
Riguardo a metodi di guadagno in margine di potenza,
possono essere ricordati 2 esempi: odapiive codi~ig,
nel quale viene introdotto un'aumentata protezione
error-correciiong-code (a spese della banda di frequenza) nella direzione soggetta a intense piogge; controllo di potenza, per la distribuzione della potenza a
bordo lungo le varie direzioni in base alle necessità
che emergono dall'attenuazione da pioggia. I1 guadagno in potenza che può essere raggiunto con tali procedure ha un limite indipendente dalla frequenza, per
esempio intorno ai 10 dB. Ciò può esser adeguato a
frequenze relativamente basse, ma perde di interesse
molto rapidamente all'aumentare della frequenza.
Per comunicazioni user-orieriied, può essere accettabile una probabilità di raggiungimento di poche unità
nell'ordine di grandezza di 110'. Al contrario, per sistemi di intemmessione e connessione con stazioni di
gatmlay di sistemi mobili (feedm) (vedi Tabella l),
sono necessari valori intorno ai 10' o alle poche unità
nell'ordinedi grandezza dei 10'.
La località alla quale si è fatto riferimento finora
(Genova in Tabella 4) appartiene alle regioni mondiale
definite come regioni L dalla ITUIR (International
TelecommunicationsUnion/Radiocommunications).
Questa regione e regioni che mostrano condizioni
migliori coprono gran parte del mondo, con eccezione
delle regioni N (che includono la Florida ,i Caraibi, la
costa Atlantica del Brasile, la penisola indiana, la
penisola indocinese, parte delllAfrica equatoriale,
Hong Kong eccetera) e delle regioni P (che includono
località con eccezionali precipitazioni come
I'hazzonia, parte dell'AFrica equatoriale, il Borneo,
Ceylon eccetera). Per le regioni N la probabilità
riportata in Tabella 4 rimane minore o uguale a IO3,
mentre per le regioni P diventano maggiori di IO2per
hquenze di 20 GHz o maggiori.
Orbite
Dopo 25 anni di operazioni di grande successo con
satelliti di comunicazione GEO, negli ultimi 5 anni
sono stati realizzati satelliti in orbite più basse.
Vengono ora discussi alcuni vantaggi che provengono
dall'abbassare l'orbita. Qualsiasi sia l'approccio adottato in tabella 1, il rapporto di potenza nello spazio
libero risulta essere inversamente proporzionale a 12
ove 1è la distanza tra il satellite e il terminale di terra
(figura 8). Questa distanza, quando q non è troppo piccolo, è maggiore rispetto all'altitudine h del satellite
dalla terra e il rapporto 1M/h (con IM il massimo valcre di I) aumenta con il diminuire del minimo angolo di
elevazione gmin e, per un dato angolo di elevazione,
viene diminuita l'altitudine h7 (Figura 8). Inoltre, se
tutti i fasci sono identici, la forma e la dimensione delle impronte cambia a passaggio dalle cellule centrali
alle cellule periferiche; reciprocamente, per ottenere
cellule identiche, è necessaria un'opportuna o m e
intensità dei fasci. Dalla figura 8 è possibile derivare il
guadagno in potenza trasmessa (sia dal satellite che a
terra) che si può ottenere rispetto al comspondente
valore in sistemi GEO. Questo guadagno è di pariice
lare rilevanza quando la stazione di terra è costretta ad
avere un'antenna molto ridotta e una potenza molto
bassa di trasmissione; ancora di più quando, per evitare problemi di puntamento, l'antenna di terra deve
essere omnidizionale, che è il caso di sistemi mobili
e personali che usano terminali palmari (caso a2 o
caso b in Tabella I). La citata riduzione di attenuazie
ne di path è solo uno dei vantaggi che possono essere
ottenuti abbassando l'orbita (vedi Tabella 5): un altro
vantaggio importante è infatti la riduzione del ritardo
di propagazione che nei LE0 raggiunge valori tipici di
connessioni terrestri: bisogna comunque fare attenzie
ne quando si introducono soiirce coders con elevaii
rapporti di compressione di ampiezza di banda, perché
introducono notevoli ritardi di per sé stessi. La riduzione del ritardo è importante non solo per le comunicazioni vocali ma anche per i dati, perché i protocolli
sviluppati per la trasmissione dati non possono essere
usati nei sistemi GEO, in particolare quei protocolli di
correzione dell'errore che richiedono la rilevazione
dell'errore e la ritrasmissione dei blocchi con mre.
Tabella 5
Vantaed della riduzione dell'altitudine di orbita
riduzione dell'attenuazione di path
riduzione del ritardo di propagazione
possibilità di incrementare l'angolo di elevazione
possibilità di realizzare un reale sistema globale
Un altro vantaggio elencato in Tabella 5 è la possibilità di operare con elevati angoli di elevazione, che
facilitano il superamento di ostacoli come palazzi,
alberi eccetera. Questo aspetto diventa via via pii rilevante, man mano che la Frequenza di trasmissione viene incrementata; si ricordi anche che a frequenze oltre
i 10 GHz, l'attenuazione da pioggia decresce al diminuire dell'angolo di elevazione. In questo contesto si
consideri che la copertura assicurata dai siitemi GEO
sarebbe molto ridotta se fosse richiesto un elevato
angolo di elevazione (Figura 9): la figura mostra ad
esempio che un angolo di elevazione minimo
gmin=lf restringerebbe la coperiura a latitudini di
i65", mentre per un gmin=4O0 la coperiura sarebbe
limitata a meno dei i45", escludendo dunque iutte le
principali capitali europee. Allo stesso tempo, sarebbe
richiesto un numero maggiore di satelliti. Con sistemi
non GEO, è possibile ottenere facilmente un elevato
angolo di elevazione, a patto che venga impiegato un
maggiore numero di satelliti. (Figuralo).
A questi vantaggi si oppongono tuttavia i seguenti
svantaggi :
* non appena il satellite si muove lungo I'orbita rispetto alla terra, l'altitudine decresce sempre più, vedi ad
esempio I'ascissa in Figura 8, richiedendo p m d u r e
di switch e handover da un satellite al seguente
il numero di satelliti richiesto aumenta al decrescere
dell'altitudine (vedi Figura IO),
* mentre, usando satelliti GEO che sono fissi rispetto
Fiira 8
Rapporto Ilh come funzione du h.
L'altitudine di orbita può essere ridotta fina all'incirca
500 Km. ci06 di un valore sufficientemente elevato
per evirare interferenze atmosferiche. È importante
tuttavia. stare al di fuori della cintura di Van Allen
(figura 10,
( che può danneggiare componenti
elettronici e celle solari. Come conseguenza. sono
disponibile due range di altitudine: 500 e 2000 Km
che definiscono le orbite basse terrestri
(Low-altitute Earch Orbitis. LEOs).
m)
Fiira 9
Angular haltidth of the swath width. ciob latitudini
nord e sud che limitano la fascia raggiunta da sistemi
GEO in funzione del numero di satelliti.
Figura 10
Numero minimo di satelliti nel sistema in funzione
dell'altitudine.
alla terra, è possibile distribuire la capaciti di traffico
dei satelliti, in funzione delle necessità delle varie patti
della regione servita, i satelliti LE0 tendono a dishibuire evenly la loro capaciti di comunicazione sulla
Terra, senza tenere conto che 2/3 della superficie terrestre b coperta da oceani. Secondo quanto esposto, i
satelliti LE0 hanno come caratteristica positiva la
capaciià di allestire un sistema globale vero, ma aUo
stesso tempo necessitano di un accurato sistema di
progetto per evitare un eccessivo spreco di capacità di
comunicazione in regioni con modesto flusso di traffico e di sorgenti.
Un concetto basilare appare essere che la loro capaciià
di comunicazione deve essere scelta per essere ade-
guata al massimo fabbisogno di regioni sostanzialmente non servite da altri mezzi, e di fornire una funzione complementare piuttosto che competitiva in
regioni ad alto sviluppo.
I satelliti ME0 sono, sotto questo punto di vista, in
una posizione intermedia perché, viaggiando lungo
l'orbita, possono puntare la loro antenna verso le
regioni di interesse; questa è la soluzione adottata per
Odissey (vedi Tabella 1).
Considerazioni sui dimensionamento di poteoza
Riferendosi nuovamente alla Tabella 1, due casi
richiedono particolare attenzione: il caso personalmobile, in cui sono usati i terminali terrestri palmari
con antenne omnidiizionali e limitata potenza di trasmissione (0.5 W); il caso personal-f~ed,in cui piccoli terminali terrestri usano un'antenna direzionale e
una limitata potenza trasmessa, con una libertà di scelta rispetto al caso precedente.
7.1 ~e&nal-mobile
L'equazione a2 di Tabella I si applica, con Gs=l e PT
fisso. Per una data capacità di comunicazione a una
determinata densità di rumore del ricevitore, anche Pr
è fisso, così che è fissato il rapporto ASn2 indipendentemente dalla frequenza1'. Per esempio, per tra-
II
Direzionare i fasci per mantenere le cellule fisse a terra
Figura
smissioni vocali a 4.8 kbitls, ASn2 è dell'ordine di 1.6
104, cosa che implica DA=2 10-7, con D il diametro
dell'antenna a bordo. Considerando la Figura 9, per un
elevazione dell'angolo di 15", D deve essere 8 metri
nel caso di satelliti GEO e 0.4 metri nel caso di sistemi
LE0 a 800 Km di altezza.
Per un angolo di elevazione di 40'71 valore di D diventa rispettivamente 7.6 e 0.22 metri. Da notare è che per
elevati angoli di elevazione, le dimensioni delle cellule
a terra tendono rimanere le stesse per ogni altitudine.
Chiaramente, variano proporzionalmente con I, al
variare della frequenza.
I valori riportati delle dimensioni delle antenne satellitari,, corrispondono ad operazioni senza alcun margine
rispetto alla propagazione nello spazio libero; se si
introduce questo margine, l'antenna di un sistema
GEO, può facilmente raggiungere i 15-30 metri di diametro.
In effetti, i margini di p o t w sono necessari per supemre ostacoli, in particolare quando l'angolo di elevazione è piccolo; in sistemi satellitari mobili, può essere
dificile adottare margini di potenza così elevati da
assicurare le operazioni in ogni località del terminale:
in questo caso, è richiesto un atteggiamento di cooperazione da parte dell'utente , nel senso che l'utente,
quando si trova in una localith con difficoltà di propagazione, si deve muovere per cercare una posizione
più favorevole.
La situazione per i siitemi Geo diviene ancor più critica quando la potenzi ricewta deve essere incrementata per incrementare la capacità di comunicazione
7.2 Peisonal-fixd o mobili cooperativi
Si applica l'equazione C) in tabella 1. Un piccola
antenna di terra, diciamo 25x25 centimetri possiede
un'apertura equivalentecirca 10 volte superiore dell'a
pertura 1214p di un'antenna omnidirezionale a 1.5
GHz. Un terminale grande quanto una valigia, possibilmente con più potenza dei terminali palmari, può
fornire comunicazione vocale anche con un sistema
GEO senza necessità di una antenna a bordo troppo
ampia.
L'interesse a muoversi verso bande di frequenza più
elevate, 20-30 GHz o 40-50 GHz, continua ad essere
un aspetto importante, come detto precedentemente, a
patto che siano assicurate condizione di diretta visibilità. Un confronto con quanto detto poc'anzi mostra
chiaramente che nel caso di terminali palmari, sarebbe
importante abbandonare il vicolo cieco in cui ci stiamo
avventurando adottando antenne omnidirezionali : è
necessario condurre ricerche sul possibile impiego di
almeno una direzionaliili paaiale.
Problemi di commutazione e relative soluzioni
in sistemi non-GEO
Un satellite non GEO, può essere usato in certe l w liti fmtanto che si trova nel rniige consentito di angoli
di elevazione.
Quando esce da questo range, è necessario commutare
su un nuovo satellite. Questo è chiamatocommutazie
ne a livello di copertura.
Sistemi multifascio, comunque possono richiedere un
maggior numero di commutazioni. infatti, nel caso che
fasci multipli siano fissi al satellite, questi formano un
insieme di cellule che scivola sopra la terra; la commutazone di un terminale deve essere eseguita ogni
volta che questo lascia una cellula ed entra nella successiva. Questo processo può essere denominato commutazione a livello di cellula.
In questo caso l'intervallo di commutazione è proporzionale al rapporto tra la dimensione della cellula e la
velocità del satellite: concordemente, la situazione tende a diventare più critica con il decrescere della
dimensionedella cellula (questo succede in particolare
quando vengono impiegate frequenze più elevate) e
con il crescere della velocità del satellite, cioè viene
decrementata l'altitudine, per esempio passando da
sistemi ME0 a sistemi LEO.
La commutazione a livello di cellula può essere resa
meno critica, utilizzando, invece di cellule circolari,
celle allungate nella direzione dei moto (Globalstar) o
può essere del tutto evitata mantenendo le cellule fisse
rispetto alla Terra mentre il satellite si muove intorno
all'arco di copertura: questo può essere ottenuto (Figura I I) usando fasci sieering.
Teledesic presenta infatti un soluzione sofisticata in
cui i fasci sono pilotati per m m di una matrice fasata (Figura 11). Ho menzionato precedentemente che in
un sistema personal-mobile deve essere introdotto un
margine di potenza per superare ostacoli lungo la
traiettaria, specialmentenel caso di bassi angoli di ele
vazione. in effetti è possibile alleviare questo proble-
ma nel caso in cui più di un satellite siano siiultaneamente a disposizione e, atiraverso un'opportuna c o n
mutazione, sia scelto il più favorevole ad ogni istante
(diversitàdi satellite).
Conclusioni
Sono stati esaminati molteplici aspetti riguardanti
l'impiego di nuove orbite e di nuove bande di ikquenza in sistemi avanzati di comunicazione satellitare.
Parìicolareenfasi è stata data agli aspetti di radio engineering e di conseguenza non sono stati considerati
molti altri problemi, particolarmentea livello di siste
ma, come i metodi per l'accesso e il roirting, l'integrazione con la rete terrestre eccetera.
Con riferimento agli aspetti tecnologici, appare chiaro
che lo sviluppo di matrici di antenne attive sia un
aspetto cruciale per sistemi efficienti che utilizzino
nuove orbite e nuove bande di frequenza.
In conclusione, è importante rilevare che , mentre le
comunicazioni satellitari hanno cominciato a soddisfare il sogno di una comunicazione globale con soluzioni che hanno permesso di connettere stati e nazioni,
I'impiego di tecnologie moderne consentirà di soddisfare il sogno$ una interconnessioneglobale a livello
di individuo. E altresì evidente che sarebbe molto utile
aver sistemi geostazionari LEO; questa è la ragione
per cui ci sono proposte per I'impiego, anziché di
satelliti, di piattaforme ad altitudini di decine di chilometri, alimentati e stabilizzati da terra attraverso fasci
di onde millmetriche.
Bibliografia
I. A.C. Clarke, "Extraterrestrial relays", Wireless
World, Oct. 1945, p. 305.
2. Alta frequenca, "Special Issue on the Sirio
Programme in the tenth Year of Satellite Life", Alta
Frequenca, LVI, 1-2,1987.
3. F. Carassa, "New satellite Systems and Higher
Frequency Utilisation", Alta Frequenca, LVI, 1-2,
1987.
4. F. Carassa "Application of Millimeter Waves to
Satellite Systems", Alta Frequenca, LVIII, 5-6, 1989,
p. 405.
5. F. Carassa "Technical Aspects in the fuhue development of satellite communicationssystems with particular reference to the use of frequencies above 10
GHz." 19th Convegno Internazionale Scientifico sullo
Spazio, Roma, 1979.
6. F. Carassa, "Adaptive Methods to Counteract Rh
Attenuation Effects in the 20-30 GHz Band", Space
Communication adn Broadcasting, 2,3,1984, p.253.
Studi sul radar
ad apertura sintetica (SAR)
Gianni Ferretti. Andrea Monti Guarnieri. Claudio Prati, Fabio Rocca
Diportimento di Oemnico ed Informazione
Introduzione
Lo scopo del SAR è fornire immagini elettromagnetiche (a frequenze comprese tra SOOMHz e IOGHZ) della superficie terrestre con risoluzione spaziale di qualche metro. Uno dei vantaggi di tale sistema di telerile
vamento dallo spazio rispetto ai piii noti sistemi ottici
è la possibilità di osservazione continua sia di giorno
che di notte (essendo un sistema attivo) e anche in presenza di copertura nuvolosa (le frequenze utilizzate
penetrano senza sensibili attenuazioni attraverso le
nuvole).
Il secondo vantaggio risiede nel fatto che, come tutti i
sistemi di illuminazione coerente, anche le immagini
SAR sono caratterizzateda un'ampiezza e da una fase.
Proprio la fase dei dati consente al SAR di essere uno
strumento molto utile per generare mappe digitali di
elevazione del terreno con precisione di qualche metro
e, soprattutto, di essere uno strumento unico per fornire misure di deformazioni crostali di vaste aree (centinaia di chilometri quadrati) con precisione centmetrica e con elevata densità (una misura ogni poche decine
di metri a terra).
11 gruppo di elaborazione numerica dei segnali presso
il Dipartimento di Elettronica e Informazione del
Politecnico di Milano ha iniziato ad occupmi del problema dell'elaborazione di dati Radar ad Apertura
Sintetica (SAR) nel 1985. Dal 1986, la ricerca del
gruppo è proseguita di pari passo con la possibilità di
avere a disposizione dati reali con i quali verificare
quanto sviluppato in teoria. All'epoca l'unica piattaforma che avesse fornito dati SAR per uso civile era
il satellite americano SEASAT (lanciato nel 1979 e
spento dopo solo 78 giorni) operante alla frequenza di
ciuca 1GHz e con banda di circa 20MHz. I dati del
SEASAT sono stati utilizzati dal gruppo per mettere a
punto nuove tecniche di focalizzazione dei dati e per
studiare le possibilità offerte dall'interfemmetria SAR
per generare mappe di elevazione digitale del terreno
(DEM). Nel maggio 1991 veniva lanciato il primo
SAR europeo a bordo del satellite ERS-1 (frequenza
centrale di circa SGHz e banda di poco inferiore ai
20MHz). Per primo, nell'agosto dello stesso anno, il
gruppo ne ha verificato le capacità interferometriche
per conto dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA), utih t o i dati per sviluppare nuove tecniche di elaborazione dei dati interferometrici che hanno portato poi
ad un brevetto registrato dall'ESA negli USA, e ha poi
valutato le capacità offerte dal sistema per misurare
moti crostali con precisione centimetrica. Nel 1995
veniva lanciato il secondo satellite europeo ERS-2,
gemello di ERS-I. Su suggerimentodel nostro gruppo
i due satelliti vennero posti sulla stessa orbita in modo
da poter operare sulla stessa zona a distanza di un
giorno.
Con questa disposizione (TANDEM) dei satelliti sono
stati acquisiti ripetutamente dati di tutta la superficie
terrestre che oggi costituiscono una base di dati unica
al mondo e che consente di generare DEM di vaste
zone della superficie terrestre.
Prima di questa attività di ricerca sul SAR il gruppo si
era occupato di trasmissione televisiva digitale da
satellite. Questa attività di ricerca è culminata nel 1984
con il primo esperimento di trasmissione televisiva
codificata a 2Mbls con il satellite SiRiO!
Introduzione al SAR
Il sistema. Il radar ad apemira sintetica (SAR) è uno
strumento costituito da un radar di tipo convenzionale
montato su una piattaforma mobile (un aeroplano o un
satellite). L'antenna del radar è puntata verso terra
ortogonalmente alla dizione di moto della piaitaforma con un angolo compreso tra 20 e 80 gradi rispetto
alla direzione di Nadir (detto di off-nadir).
Differenze rispetto alle immagini ottiche. I vantaggi
del SAR rispetto ai consueti sistemi ottici sono legati
alla capacità di operare di notte e in presenza di nuvole
(ci sono aree della terra di cui non esistono immagini
ottiche da satellite a causa della copertura nuvolosa
perenne); ancora, il SAR può fornire immagini coerenti e ci& l'immagine contiene sia l'informazione d'intensità (legata alla rifleiiività degli oggetti) che I'informazione di fase (legata alla distanza tra bersaglio e
radar).
La coerenza del sistema SAR consente alcune applicazioni di grande interesse pratico, ma è causa del cosiddetto fenomeno di "speckle" visibile come una variazione casuale dell'intensità dell'immagine intorno al
valor medio della retrodiffusione (lo stesso effetto di
granulosità che si nota puntando un laser su una parete
non perfettamente liscia).
Questa vaiiazione è dovuta alla ricombinazione casuale dei ritorni radar dai vari retrodiffusoricontenuti nella cella di risoluzione dell'immagiie.
Un esempio della diierenza visibile tra un'immagine
ottica e una SAR è mostrato in figura 1.
Figura I - Confronto tra un'immagine ottica (satellite
SPOT) a desta e una SAR (satellite ERS-I) a sinistra
dell'area dei Campi Flegrei (Napoli). L'immagine
ottica B stata messa nella geometria SAR per rendere
possibile il confronto.
Deformazioni geomehiche. Le due dimensioni spaziali dell'immagiie SAR sono legate alla distanza degli
oggetti dal sensore ("slarif range") e alla posizione
della piattaforma lungo la direzione di moto ("azimuth"). A causa di questa rappresentazione l'immagine SAR è affetta da deformazioni geometricheeguali a
quelle di un sistema ottico che osservasse la superficie
terrestre con angolo di vista complementare. Gli
oggetti disposti su un terreno con pendenza pari all'angolo di oflrtarlir (cioè parallela all'antenna del radar)
risultano essere tutti alla stessa distanza dal radar e
quindi rappresentati nella stessa cella di risoluzione
(non c'é possibilità di discriminare oggetti anche molto distanti tra loro se contenuti nel piano con questa
pendenza).
Queste zone vengono dette di 'tforesliorteriirig". Nel
caso ottico, al contrario, questa disposizione consente
la miglior risoluzione spaziale. Esattamente l'opposto
accade per terreni con pendenza opposta dove il SAR
consente la miglior risoluzione e il sistema ottico
"schiaccia" tutti gli oggetti in un solo punto deli'immagine (come in una cartolina vista di profilo).
La f o c a l i i o n e . Durante il moto della piattaforma il
radar emette impulsi di breve durata ad intervalli regolari. La risoluzione spaziale in distanza r (slaiit range)
è proporzionale alla durata degli impulsi trasmessi t:
-
Figura 2 Immagine SAR ERS-I della parte orientale
della Sicilia comprendente il monte Etna La fase
interferomevica6 rappresentata a colori, mentre il
modulo è rappresentato con l'intensità. La fase
interferomeuica 6 stata ottenuta come differenza tra
due passaggi ERS-I ed ERS-2 del 5 e 6 Settembre
1995 con un baseline di circa 1 10 metri. Si nota come
le frange interferomeulcheseguono Bene le curve di
livello.
-
Figura 3 Immaglne SAR ERS-I del Vesuvio (Napoli).
La fase interferometrica 6 rappresentata a colori,
mentre il modulo 6 rappresentato con i'intensitd.
Il basellne b di circa I35 metri. Si nota come le frange
interferomeuicheseguono bene le curve di livello.
d 2 dove c'è la velocità della luce. Quindi per ottenere risoluzioni in distanza inferiori a 10 metri è
necessario trasmettere impulsi di durata inferiore a 66
ns o, equivalentemente, utilizzare una banda maggiore
di 15MHz. in pratica si trasmettono impulsi modulati
linearmentein Frequenza di durata molto maggiore che
poi vengono compressi con un filtro adattato nell'elabomione numerica dei dati. Per quanto riguarda inve
ce la direzione di azimuth, si sfrutta il moto della piattaforma rispetto agli oggetti a terra per "sintetire"
tramite calcolatore un'antenna di dimensioni molto
maggiori rispetto a quella fisica. Infatti per avere una
risoluzione di 10 metri alla frequenza di IGHz e alla
dislanza di 8 0 0 h (la quota detle orbite generalmente
utilizzate per il SAR da satellite) sarebbe necessaria
un'antenna lunga più di 10 h,owiamente non realizzabile praticamente. 11 trattamento dei dati "grezzi"
che consente di comprimere gli impulsi e di s i i t e t i i
re l'antenna viene indicata con il termine di "focalizmione" SSAR
L'atiivith del gruppo
La nuova tecnica di focalizzazione. Da un punto di
vista deli'elaborazione numerica dei dati, il problema
della focalizzazione dei dati SAR è molto simile a
quello della migrazione di dati sismici ottenuti con
onde acustiche. L'esperienza del gruppo ha suggetito
di modificare le tecniche sismiche (molto più avanzate
di quelle radar sia perchè studiate da molto tempo con
consistenti finanziamentida parte dell'industria petrolifera sia perchè il problema sismico richiede accuratezze più elevate di quello SAR) per renderle adatte
alla focalinazione di dati SAR. Quindi, nel 1987 è
stata messa a punto e verificata con i dati SEASAT
una tecnica di focalizzazione che rispetto alle precedenti è risultata essere più efficiente computazionalmente, più semplice (il cuore dell'algoritmo occupava
20 righe di Fortan 77), più precisa e, soprattutto, esente da distorsionidi fase del dato (condizione essenziale
per le applicazioni interferometriche)'. La nuova tecnica è diventata presto punto di riferimento per i nuovi
prodotti software e la sua pubblicazione ha avuto
come effetto non trascurabilequello di far uscire il settore da un regime di oligopolio con una conseguente
radicale riduzione dei costi.
L'interferometria e le sue applicazioni. Ad ogni pixel
di un'immagine SAR è associato un numero complesso risultato della combinazione delle retmdiffusionidi
tutti gli oggetti appartenenti ad una cella di risoluzione
a terra e della rotazione di fase dovuta al percorso. In
particolare la fase di ogni piiel è formata dalla somma
di due termini: il primo legato ai retrodiffusori fs, il
secondo dato da k=pr/I, dove r è la distanza piattaforma-cella di risoluzione e l è la lunghem d'onda del
radar (pari alla velocità di propagazione divisa per la
frequenza del radar).
Dato che le lunghezze d'onda generalmente utilizzate
sono di pochi centimetri e la distanza sensorecella di
risoluzione è di qualche centinaio di chilometri (alme
no nel caso di SAR da satellite) il secondo temine di
fase contiene decine di milioni di angoli giro. Inoltre,
il termine di fase legato ai retrodiffusori è casuale. In
conclusione la fase di una siigola immagine SAR è
assolutamente inutihbile. Se ora si considera la differenza di fase tra due immagini SAR riprese da angoli di vista leggermente differenti (generalmente viene
indicata la distanza tra i due satelliti in direzione normale a quella di vista -baseline invece che la separazione angolare)
il termine di fase dovuto ai retrodiffu"
sori si cancella (almeno in prima approssimazione se
la differenza d'angolo è molto piccola) e il termine di
fase residuo è dato da j=ilpDr/I dove Dr è la differenza
dei percorsi tra i sensori e la stessa cella di risoluzione
a tena. La fase j contiene ancora un numem molto e l e
vato di angoli giro (è quindi nota a meno di un elevato
multiplo intero di 2p), tuttavia passando da una cella
di risoluzione ad una contigua (pochi metri di distanza) la variazione di j è generalmente sufficientemente
piccola da non presentare ambiguità di 2p. La fase j
viene detta fase interferometrica e ad essa è legata
l'informazione di variazione di Dr (misurata in frazioni di lunghezza d'onda 1) tra pixel dell'immagine
SAR. Un esempio relativo alla zona dell'Etna è
mostrato in Figura 2.
Un altro esempio relativo al Vesuvio è mostrato in
figura 3. Nota la posizione dei due satelliti, la misura
di Dr può essere utilizzata per ricavare l'elevazione
relativa tra i pixel dell'immagine e, quindi, generare
una mappa numerica di elevazione pigital Elevation
Model). Oppure, noto il DEM è possibile risali da
Dr a eventuali deformazioni millimeiricbe della superficie terrestre intercorse tra due osservazioni successir
ve. La precisionedella misura di Dr è legata al rumore
di fase presente sulle immagini SAR. Se le immagini
SAR utilizzate per calcolare la fase interferometrica
sono riprese simultaneamente (e quindi il contributodi
fase dei retrodiffusori si cancella) il rumore di fase è
generalmente inferiore a 30 gradi e la precisione di
misura di Dr migliore di V20 (pochi millimetri). DaUa
misura di Dr e dalla parallasse si risale al DEM con
una forte diiuzione di sensibilità,passando da errori
di pochi millimetri su Dr a errori di vari metri sul
DEM. Se invece le immagini SAR sono riprese con un
certo intervallo temporale (questo è il caso dell'interferomehia da satellite sia nel caso SEASAT che ERSIIERS-2) il rumore di fase dipende essenzialmente dal
cambiamento dei retrodiffusori sul terreno e la precisione di misura di Dr presenta una forte variabilità
spaziale. Se per alcune applicazioni (come la generazione di DEM o la misura di deformazioni crostali)
questa variabilità è un inconveniente, per la classificazione d'immagini e per l'estrazione di alcuni parametri geofisici può essere un vantaggio (per primo il
gruppo ha proposto la generazione d'immagiii di coerenza per questo tipo di applicazioni). Per quanto
riguarda le tecniche di elaborazione numerica per la
generazione di immagini di fase interferometrica, il
contributo innovativo del gruppo è conosciuto (e utilizzato) internazionalmente con il nome di "spectral
shifi principle" o "common band filtering'u'.
Consiste in un filtraggio spazio variante delle due
immagini SAR al f i e di eliminare quel contributo di
rumore causato dalla non completa cancellazione del
termine di fase dovuto ai retrodiffusori (che in effetti
cambia al cambiare dell'angolo di vista). Questo principio è stato poi applicato nella realizzazione di due
pacchetti sohvare per conto dell'ESA: il primo per la
generazione di immagini di fase a piena risoluzione
(disponibile via rete tramite ESA-ESRiN), il secondo
per la generazione di immagini di a m p i m , di fase e
di coerenza a risoluzione intermedia (40 metri), ma
con tempi di calcolo molto ridotti (l0 minuti su un PC
per immagini 100x100km).
Le immagini di coerenza
Se i retrodifiori sul terreno cambiano tra un'osserva-
-
Figura 4 Immagine di coerenza della parte nord
orientale della Sicilia.
-
-
Figura 5 Mappa numerica di elevazione dell1Etna
ottenuta a partire da 7 coppie d'immagini ERS-I ed
ERS-2.
Figura 6 Mappa numerica di elevazione dell'Etna
ottenuta a partire da 7 coppie d'immagini ERS- I ed
ERS-2 ascendenti e 3 discendenti.
zione SAR e la successiva, la fase interferometrica
risulta affetta da un rumore casuale. L'entità di questo
rumore viene valutata attraverso le immagii di coeren2a cioè della stima del coeffciente di cmss-correlazione
locale delle immagini SAR. In teoria ad ogni pixel delle immagini è legato un valore di coerenza differente,
ma in pratica, avendo a disposizione solo due immagini
per stimare la coerenza, si suppone che il segnale sia
siazionario in un'area di qualche pixel. La risoluzione
dell'immagine di coerenza è così ridotta rispetto a
quella delle inimagini di partenza. La coerenza è compresa tra O (retrodiffusori completamente diversi nelle
due immagii come, per esempio, nel caso del mare) e
1 (stessi retrodisori nelle due immagini come, per
esempio, nel caso di rocce esposte). Un esempio di
immagine di coerenza è mostrato in Figura 4.
L'immagine mostra la parte nord orientale della Sicilia
e la coerenza è rappresentata con una scala di grigi che
va dal nero (coerenza nulia) al bianco (coerenza unitaria). I dati utilizzati sono stati ripresi dai satelliti ERSI ed ERS-2 a distanza di un giorno nel settembre del
1995. Si nota come il mare risulti totalmente incoerente, mentre sull'isola si notano diversi livelli di coerenza, scarsa nella parte nord più vegetata, elevata
sulllEtna in corrispondenza delle colate di lava che
vengono così chiaramente identificate. La coerenza
varia anche in funzione della situazione climatica. In
generale in aree vegetate la coerenza è più elevata nei
periodi secchi (estivi alle nostre latiiudini) .
immagini, si aumenta la percentuale di zone che hanno
alta coerenza nell'una o nell'altra situazione e, conseguentemente, si riescono ad ottenere DEM di zone più
estese.
Una volta ottenuta una mappa di elevazione in coordinate SAR, questa deve essere posta in un sistema di
riferimento convenzionale (generalmente UTM) tramite un'operazione di geocodifica. Un esempio di
DEM della zona dell'Etna generato a partire da 7 c o p
pie d'immagini SAR è mostrato in Figura 5.
Owiamente a causa delle deformazioni geometriche
delle immagini SAR, le zone difireslior~eiiirig risultano essere fortemente interpolate e di scarsa affidabiliti. Per ovviare a questo inconveniente sono state
combinate mappe di elevazione ottenute con coppie
d'immagini SAR riprese durante passaggi sia ascendenti (da Sud a Nord) sia discendenti (da Nord a Sud)
dei satelliti ERS-1 ed ERS-2. Le deformazioni geome
triche nei due casi sono quasi complemen!ari (nei passaggi ascendenti l'antenna è puntata verso Est, in quelli discendenti verso Ovest) quasi tutta la superficie di
una zona montuosa come quella dell'Etna t rappresentata con buon dettaglio.
La mappa di elevazione di Figura 6 mostra il risultato
di questa combinazione. Nella stessa figura sono
mostrate un'immagie SAR ascendente e una discendente per mettere in risalto le differenti deformazioni
geometriche. L'accuratezza di elevazione valutata
indipendentementedall'ESA è risultata essere di cima
8 metri. Un problema non trascurabile nella generazione dei DEM con immagini SAR non simultanee (come
nel caso di ERS-1 ed ERS-2) è quello del cambiamento del contenuto di vapor d'acqua nella troposfera tra
un'osservazione e I'altra e10 tra una zona e l'altra nella
stessa osservazione.
Questi fenomeni causano delle variazioni locali della
lunghezza d'onda del sistema e, conseguentemente,
degli artefatti topografici. Ancora una volta l'uso di
più immagini interferometriche è d'aiuto per ridurre
questi effetti.
Il gruppo ha messo a punto una tecnica basata sull'elaborazione multi-risoluzione degli interferogrammi
SAR (filiraggio wavelet bidimensionale)per stimare la
potenza degli artefatti atmosferici sulle singole coppie
interferomemche. In base a queste stime è possibile
trovare la miglior combinazione lineare delle siigole
coppie interferometriche per ridurre al minimo gli
effetti atmosf&cis.
Generazione di DEM
Dalla fase interferometrica è possibile risalire alla
mappa di elevazione (relativa) di tutti i pixel. Per ottenere questo risultato sono necessarie due operazioni:
lo srotolamento della fase interferometrica ("pliase
irriivrappi~ig")la geocodifica del DEM.
La prima operazione si rende necessaria in quanto la
fase interfeminetrica presenta dei salti di 2p che non
sono legati ad un'effetiiva differenza di quota tra pixel,
ma dipendono dalla rappresentazione della fase che è
nota a meno di multipli di 2p. A partire dal 1987, il
gruppo ha sviluppatozdelle tecniche originali di ')/las e un~~~rappilig"
bidimensionali che sfruttano sia
l'informazione di fase sia quella d'ampiezza delle
immagini SAR. Più recentementes il gruppo ha individuato una tecnica di phase rrriwmpping più affidabile
di quelle %adionali" perchè basata sull'informazione di fase di più immagini SAR. Inoltre, con più
Misura di moti crostali
Se la topografia è nota, il suo contributo alla fase interferomeirica può essere eliminato. Il residuo di fase
interferomeirica può essere messo in relazione a piccoli
sposiamenti relativi della superficie t m t r e nella d i zione del satellite. Nel caso dei satelliti ERS-I ed ERS2, per esempio, uno spostamento relativo di 2.8 cm
(pari a meta della lunghezza d'onda del sistema) produrrebbe una variazione di fase interferomeirica di 2p.
Se la coereuza nella zona d'interesse è sufficientemente elevata, si capisce come questa tecnica sia in grado
di misurare movimenti di pochi millimetri. II gruppo
ha verificato sperimentalmentequesta possibilità proponendo nel 1992 un esperimento controllato sulla'area di Bonn in collaborazionecon I'ESA per la pianificazione delle accensioni del satellite ERS-I e I'università di Stoccarda per la preparazione dell'esperimento
a terra.
Nell'espehento di Bonn il gruppo di Stoccarda ha
collocato su un terreno agricolo diciannove riflettori
molto brillanti (comer reflectors) e quindi ben identificabili sull'immagine SAR. La scena è stata ripresa
dieci volte nel mese di Marzo del 1992 e nel Frattempo
due riflettori sono stati spostati verticalmente di un
centimetro. Dall'elaborazione delle dieci immagini
SAR, il gruppo di Milano ha correttamenteidentificato
quali riflettori erano stati mossi e di quanto con un
errore di 2 millimetri. La tecnica è stata poi applicata
dal gruppo per rilevare fenomeni naturali come nel
caso delle grossa Frana di St. Etienne de Tinee poco a
nord di Nim. in figura 7 è mostrata la singola immagine SAR ripresa da ERS-I; la zona interessata dalla
Frana è evidenziata nel riquadro. In Figura 8 è invece
-
Figura 7 Immagine SAR ERS- I della zona interessata
dalla frana di St. Etienne de Tinee.
-
Figura 8 Fase interferometricaottenuta da due
immagini SAR ERS-I riprese a distanza di 9 giorni.
Nei riquadro sono ben visibili le frange causate dalla
deformazione superficiale awenuta in seguito al moto
franoso.
m1:
i.r,"
i
"s
L
i,ii.~L,
I
"q' -m
-"-.-."-' .. '
i"
t
i-
.
%m
W
.,-
-
.
.
,
.
.
.
.
.
i
i
:,
-
-
Figura 9 Immagine SAR ERS-I della Valle del Bove
(ha).
Figura 10 Mappa delle veloci6 del terreno (in cm
all'anno) della Valle del Bove (Etna).
mostrata la fase interferometrica ottenuta a distanza di
nove giorni che evidenzia le rapide variazioni di fase
in corrispondenza della frana. Questi dati sono stati
analizzati dal gruppo IPGP di Parigi per ricavame un
modello della frana. Avendo a disposizione più immagini è anche possibile seguire lo sviluppo temporale
delle deformazioni. Se poi esiste un modello per questo sviluppo, è possibile misurare con precisione
movimenti d a m molto modesti. Con questa tecnica
abbiamo misurato gli spostamenti del terreno nella
Valle del Bove suIl'Etna causati essenzialmente dal
peso delle recenti colate di lava. L'immagine SAR
della Valle del Bove è mostrata in Figura 9, menire la
mappa deiie velocità del terreno (in cm all'anno) è
mostrata in Figura 10. Come ulteriore esempio, si
mostra come con I'interferometria SAR di ERS-I ed
ERS-2 sia stato possib'ie individuare un fenomeno di
subsidenza nell'area vicino ad Annifo in Umbria causato dal terremoto del 26 Settembre 1997. Il fenomeno
di subsidenza è mostrato in Figura l l. L'abbassamento
del terreno al centro dell'imrnagine stimato dalla fase
interferometricaè di circa 8 cm rispetto ai bordi.
Infine in Figura 12 si mostrano le h g e d'interferenza relative alla deformazione crostale causata dal terremoto del 1992 di Landers in Califomia. Tali frange
sono state ottenute dalla differenza di due immagini
ERS riprese prima e dopo il sisma. hterferometria con
SCANSAR a bassa risoluzione. Nell'anno 2000 verrà
messo in orbita il satellite europeo ENVISAT cbe avrà
a bordo un sistema SAR di nuova generazione detto
SCANSAR Questo sistema, a differenza di quelli pre
cedenti consentirà di acquisire striscie d'immag'i larghe 500 km invece dei 100 attualmente disponibili. Il
gruppo è stato incaricato da ESA-ESTEC di ottimizzare i parametri di questo strumento. Inolire il gruppo è
stato incaricato d'investigare le possibili applicazioni
d'interferometia SAR-SCANSAR. I dati SCANSAR
sono stati simulati a partire dai dati della missione
ERS e sono stati utilizzati per verificare la validità di
tecniche d'interferometia innovative.
Riferimenti bibliograllci
1. C. Cafforio, C. Prati, F. Rocca, 1991,SAR datafocusittg using seistttic ~ttigrationtecliniqlies, LEEE
Transactionson AES, Vo1.27-2, pp194-207.
Conclusioni
Abbiamo riassunto i principali risultati di una ricerca
durata più di 12 anni e fmanziata per un totale di circa
2.2 miliardi di lire principalmente dall'Agenzia
Spaziale Europea @SRN e ESTEC), daUa Comunità
Europea e dall'Agenzia Spaziale Italiana. Tale lavoro
è stato reso possibile dal contributo di 48 studenti di
Laurea e Dottorato (4) descritto in 37 tesi e progetti di
laurea. I risultati principali di questa attività ricerca
sono raccolti in 15 pubblicazioni su riviste htemazib
nali e sono coperti da due brevetti.
2. C. Prati, F. Rocca,A. Monti Guarnieri, E. Damonti,
1990, Seisniic tttigration for SAR focirsittg:
In~etferot~tetncal
applications, IEEE Transactions on
Geoscience and Remote Sensing, Vol.28, N.4,
pp.627-640.
3. F. Gatelli, A. Monti Guarnieri, F. Parizzi, P.
Pasquali, C. Prati, F. Rocca, 1994, Use of the spectral
shifi i11 SAR intei$erottte~ry:applications lo ERS-I,
IEEE Transactio~tson Geoscience and Reniote
Sensing, Vol. 32, No 4, July 1994, pp.855-865.
4. C. Prati, F.Rocca, 1994, Process for generatirig
Synthelic Aperture Radar Inte~frograms, U.S. Patent
N.5,332,999, July 26,1994.
5. A. Ferreiii, C. Prati, F.Rocca, 1998, Multi-Baseline
MSAR DEM reconstruction: b e wavelet approach,
IEEE Transactions on Geoscience and Rettlote
Sensing, in stampa.
6. S. Brofferio, C. Cafforio, F. Rocca, "Communication Experinents in the SIRIO program", Alta
Frequenza ,Numero speciale sull'esperllnento SIRIO,
1984.
-
Flgura I 2 Faselnterfemrnetrica relativa
al terremoto di Lan&rs in Californi&
-
Figura I I Fase interferometricarelativa alla subsidenza nella zona di Annlfo causata dal recente terremoto In Umbria.
Space field research activities
at the aerospace department
of Politecnico di Milano
Moon Exploration
Since a new interest for lunar exploration and exploitation is risen up in recent years severa1 topics are
under study to better design a mission to the Moon.
Three are the main areas of interest:
WSB Transfer Trajectories. Weak Stability
Boundaries (WSB) are a new and inhiguing altemative to classica1 Hohmann transfers. Proposed for the
Cst time by Belbmno, this kind of transfer trajectory
exploits regions of transition between stable and
unstable manifolds, providing a meaningful saving of
propellant An efficient procedure to design an optimal
transfer by WSB is under development along with a
stability analysis of the designed trajectory.
Orbit Maintenance. The non-uniform gravity field of
the Moon yields strong periurbiig effects on low perilune orbits leadig to a hard landing a h r few revolutions. A siudy of long and medium term effects aimed
Io identify periodic stable solutions and stabilising
minimum Dv manoeuvres has been camed out.
* Optimal Landing. Minimum mass homing trajectory
to a desired target from a given coasting orbit is ofprimary for the actual reaiisation of the mission. Optiial
control law and optimal initial conditions have been
denved to perform the d e s i i landing trajectory keeping into account orbita1 and attitude dynamics and
constraints.
Figure I: Periodic solutions
Figure 2: Optirnal thrust program
Figure 3: w o link planar manipulator
MicrosafeiiitesDesign: PalaMede
Program PalaMede aims to put in a sun-synchronous
polar orbit a micmsatellite entirely designed by students inside the Department of Aerospace Engineering
of the Politecnico di Milano. PalaMede is an educati&
nal program and is intended Io be an important chance
for students to apply in practise what they have learned in theory.
Furthermore PalaMede is designed to be a basic
platform to test new concepts for future small and
cheap satellites. In pariicularly N o basic ideas are lead i g the entire project: first of al1 the subsystems are
made by standard components not design for space and
second PalaMede will be a muhipurpose bus fora wide
range of payloads. Two cameras repwmt present payload: one CCD colour camera, which shaU take pictures of the Earth, and an infrared wnera, which shaU
take picture of the outer space.
The prehmmy design of al1 the suhystems is complete, at present, and part of the power system and
HDCS is going to be built and tested.
Fiexible Manipdators
Space robots will play an increasing important role in
space missions of the Intemational Space Station era.
Space robot arms are very light and slender: then the
flexibility, causiig long period elastic vibration during
maneuvering, is a critica1 issue to dea1 with. The foilowing arguments are being studied :
* Path Optimiition. Different kind of optimization are
beiig investigated, e.g. time and energy consumption
minimintion.
Flexibility Control. Both standard optimal control
system, as LQR, and modern method, as Neural
Networks, are applied to contml links and joints flexibili@.
* Interaction between manipulator dynamics and base
strutture.
Experimental tests are earried out on a two rotational
degrees-of-freedomplanar manipulator with highly
flexible links, which has been purposely designed and
set up in our laboratories.
Active Control of h r g e Fìexible Struciures
Space struciures must be characterized by a very higb
efficiency, measured by the launch costs and the possibili@of being assembled directly on orbit.
This calls for the adoption of modular tniss shuctures
in al1 the cases where more functional elements must
be wnnected but kept at a certaii relative distance.
a force and a displacement transducer, wnnected to a
local contro1 circuit far decentralized contro1 and
topology, the mnsors and acl~atorsduptwl and the eventwlly to a global contro1 system for the coonliacontro1tdniquedl h i g d . ks expwienoe was gai- timofail theaeiuato~s.l'h activerod~ephandened,thetat&ucbmbecamemorecomplicatedan8 ment of the truss stiuctm, so it includes ihe screw
a t p i e m t t h e m o s i a a $ M e a r e ~ ~ e m u l a - adapietsaad oftfie p i d c temiinril of the jwsive
ting free fl& stiUdiires.
M 1991, a Iarge
element, in order to have globally the appropriate
modular ttuss 8trncture has Been devebpd also at the le@. The proof mass actmtor is desiped as a voice
coi1aciuator moving on a sled, including a servo acaDipartimento di Ingegneria Aerospaziale of
PolitecmcodiMilaw.The~is19m~longand Immefer and a displacement trans8ucer b qmìent
an mdepeadentunit.The a c w r is c o d using
weigh only 75 kg. It is composed by 54 cubic bays
made ofpiastic materiai. The suspion system is a eolocateddirect velocity feedbadc contro1law.
composed of 6 mft aprings, which assure an acceptable decoupling of the rigid body pendulum rnodes
from the elastic vibration modes (0.3 Hz agairist 1.1
Hz appmximately).
For the activecontro1of ihe tniss smichirethe structure. is equipped with a system of electrovdves connected to a pressurized air system, emulating air jet thrus m . Another fareseen solution is the construction of
dedicateti actuators, such as active rods capable of
Figure 5: elernena of the adve member
replacing any of the passive eìements of the shuchm
or p m f mass actuatm.
The shape and position contro1 of the stnicture will be
performed by adopting s d different contro1strate
gies, ninging fmm the most traditional linear robust
controiiersto the non-conventionalprediciivdadaptive
and h y eomllers, making use of hybrid acluation
experiments re.lated to the active m t m l of LSS. The
experha& differfor thed a l s used,the siructural
m
I
Figure 4: TESS expreriment
These stnictures, called Large Spiice S t r u c m (LSS),
am b c k M by their high slendemess, low weight
and high flexiiility. n e requirements on the pointig
stability of LSS are vesy ofien so stringent that some
mrt of active eonirol must be pmmt on the shucture.
In this way the transient response to extemai disturbanees can decay d%ciently fast even in presence of
maneuvers like docking and cmw movernenis.
S i 1985 severa1 research centers bave undertakm
W-.
Design of Actuatm for Strochiml Contro1
Two kinds of actuatm have been studied in partioular:
o
f mass acniator. The core of the
active mds and p
adve rod may be eithe~a p i & ~ c or a magnetestrictive element, while the e m W sensors wiU be
Figure 6: proof mass actuator
Convegno Internazionale
"Human Motor Performance in Reduced Gravity"
Introduce il Professar Antonio Pedoni. Direttore del Dipartimento di Blolngegneria
A seguito deila prima giornata di lavori dedicata alla presentazione delle attivita del
Politecnico di Milano nelle ricerche spaziali,
la seconda giornata di lavori & dedicata al
tema specifico del comportamento motorio
dell'uomo in microgravità. l'obbiettivo specifico è quelio cii discutere i risultati di programmi sperimentali gi8 realizzati ed, in particolare, definire una strategia tecnico-scientifica
comune per affrontare l'era della sperimentazione a bordo della Stazione Spaziale
Internazionale. In particolare, i diversi conhsbuti affrontano tematiche relative ad aspetti
fisiologici di base; all'identificazionedi tecnologie di analisi del movimento qualificate per
impiego spiale; alle neuroscienze di base,
con riferimento a processi di adattamento a
cm&zioni ambientali alterate (plasticità neuromotocia) all'apprendimento mobxio.
Intervengono ah seconda giornata di lavori i seguenti
relatori:
a.G. Andreoni- Bioeugineering Dept.- Poiitecnìco
di Milano - Milano
Dr, G. Aotonuffo - Science and Biomedical
Technology Dept - Univmitii di Udine - Udine
Dr. G, Baroni - Bioengiineering Dept.- Politecnico
di Milano - Milano
Ing. D.B d i - hternational Space University
ing. L. Binnchi - Human Physiology a d KiAesiology
- Ciinica S. Lucia - IRCSS - Roma
Iog. A.A. Borghese - Laboratofyof Human Motiin
Study istituto Nemienze e Bioimmagini - CNR Milano
Proi. G. Ferrigno- Bioengineering Dept- Potitecnico
diMilaao-Mih
Prof d. Ma&n- Leboratoire deN&logie
et Mowement CiW - Mamille -Fm&
M.
G. Mkocchi- PhysiologyDept.- Univefsilh
Statale di Milano Milano
-
-
Dr. K. Money- Toronto - Canada
Dr. L. Mooehnino - Laboratory of Movement and
Perception - UNversiiy of the Meditemnean - Marseille Fmoce
Prof. DJ. Newman- Dept. of keronauties and Astronautics
- M.I.T. - Basbn, MA -U.S.A.
Prof. M. Paiva- Biomedical Physics Laborabry, Unimitè
Libre de Brwelles - Brussels, Belgium
Dr. 'C. Pozzo- Groupe Analyse du Mouvement (G.A.M.),
U.F.R. S.T.A.P.S., CampusUniversitaire, Universitè
de Eourgogne Duon - F m e
-