Sistema di potenza con distribuzione in corrente alternata per satellite di telerilevamento

Nell’ambito delle missioni spaziali, la gestione della potenza disponibile a bordo sta diventando sempre di più uno degli aspetti fondamentali a causa della potenza sempre maggiore richiesta dai carichi. Inoltre, in certi casi, al sistema di potenza vengono domandate prestazioni particolari che richiedono una gestione accurata della potenza disponibile. Un classico esempio sono le missioni di osservazione della Terra (Earth Observation): tipicamente i satelliti utilizzati per queste missioni possono avere a bordo payloads che richiedono potenze molto elevate da distribuire a distanze notevoli e a basse tensioni. In questi casi è necessaria una gestione della potenza particolarmente accurata al fine di ottimizzare le risorse disponibili. Tali missioni al giorno d’oggi rivestono grande importanza ed interesse, vista la crescente necessità di garantire un’osservazione della terra su scala globale, dal punto di vista scientifico, civile e militare. Un dimostrazione importante dell’interesse rivolto alle missioni spaziali di Earth Observation è dato dall’iniziativa combinata Unione Europea (EU)-ESA denominata GMES (Global Monitoring for Environment and Security) che prevede, tra le altre cose, la realizzazione, entro il 2013, di una costellazione di satelliti per assicurare una produzione autonoma di informazioni sulla terra, sull’ambiente, sulle risorse, sugli eventi naturali e sulle attività umane. L’iniziativa è guidata dalla necessità di migliorare il monitoraggio globale con l’obiettivo del controllo sostenibile delle risorse e della sicurezza dei cittadini. La chiave fondamentale del sistema GMES è quindi quella di stabilire, a partire dal 2008, una capacità di monitoraggio globale interamente europea, con il supporto tecnologico, istituzionale e politico. Poiché l’interazione tra le attività umane e l’ambiente avvengono a diversi livelli, sono richieste informazioni a livello sia locale che globale ed un follow-up dell’ambiente continuo con risposte rapide. L’Unione Europea ha quindi bisogno di un accesso indipendente a tali dati e informazioni su scala globale, e persegue questo obiettivo utilizzando sistemi di monitoraggio sia satellitari che terrestri. L’iniziativa GMES inoltre, insieme al monitoraggio ambientale globale, include anche alcuni aspetti legati allo sviluppo di politiche di difesa e sicurezza comune. Pur essendo attualmente una iniziativa civile, GMES potrebbe quindi avere in futuro un chiaro aspetto militare, e dunque essa potrà costituire uno dei primi passi verso l’attività militare europea nello spazio. Il sistema GMES rappresenterà infine anche il contributo europeo al sistema internazionale di osservazione della terra GEOSS (Global Earth Observation System of Systems). La componente spaziale del sistema GMES prevede la realizzazione di una costellazione principale costituita da 5 satelliti completamente dedicati allo scopo. Alle informazioni fornite da questi 5 satelliti saranno aggiunte quelle reperite da altre missioni (cosiddette complementari), già attive o prossime al lancio, pianificate da singoli stati o agenzie spaziali. Tra le possibili missioni candidate a fornire servizi ed informazioni al sistema GMES vi sono SPOT-5 (Francia), Pleiades (CNES),TerraSAR-X (Germania) e, non ultima, la missione italiana COSMO SkyMed. In particolare COSMO Sky-Med (COnstellation of small Satellites for Mediterranean basin Observation) è un programma dell’Agenzia Spaziale Italiana realizzato da Alenia Spazio, con il sostegno del governo italiano che ha reso disponibili finanziamenti per la realizzazione del programma, coerentemente con le strategie dell’Unione Europea. E’ un programma di osservazione terrestre costituito da una costellazione di sei satelliti in orbita bassa, equipaggiati con sensori ottici e radar (4 di essi avranno sistemi SAR). Permetteranno di reperire dati ambientali con elevata frequenza di rivisitazione dei siti e di renderli disponibili agli utenti in tempi brevi. Il sistema COSMO sarà principalmente dedicato al monitoraggio ambientale e climatico, alla prevenzione dei disastri naturali, al controllo delle coste, alla valutazione delle risorse idro-geologiche, soprattutto per l’area del Mediterraneo. Il sistema sarà comunque in grado di offrire le sue prestazioni anche ad altre regioni del globo e per questo è stato inserito tra i possibili elementi complementari del sistema GMES. Un payload molto comune, presente in molte missioni di telerilevamento, è un antenna SAR (Synthetic Aperture Radar). Dal punto di vista della potenza, sia per le caratteristiche che per l’ammontare della potenza assorbita, il SAR rappresenta molto spesso il payload principale. Il SAR è un sistema radar che accumula dati mentre si muove lungo la sua traiettoria. Il significato dell’acronimo, cioè Radar ad Apertura Sintetica; è dovuto al fatto che esso è in grado di simulare un’apertura più ampia di quella dell’antenna reale. Infatti, l’antenna radar si muove con una certa velocità: ogni volta che emette un impulso RF e ne riceve l’eco essa si trova in posizioni diverse in virtù del moto della piattaforma. Trasmettendo gli impulsi molto rapidamente, molti echi radar sono quindi ottenuti per un determinato target e, tramite una opportuna elaborazione, l’immagine che ne risulta corrisponde a quella ottenibile con una antenna di grandi dimensioni. L’apertura sintetica è quindi la distanza coperta dalla piattaforma mentre l’antenna radar raccoglie informazioni su quel target. La elevata risoluzione delle immagini ottenibili con un antenna SAR ne rende fondamentale l’impiego nello spazio. Inoltre il SAR è in grado di effettuare rilevazioni della superficie terrestre con diverse modalità, come rappresentato nella figura i.1. Infatti, da un lato, può investigare su regioni molto vaste (fino a 200-500 km) anche se con risoluzioni relativamente basse (100 m), dall’altro può coprire zone più ristrette (10 km) ma con risoluzioni elevatissime (inferiori ad 1 metro). Una caratteristica molto importante, che ha notevoli ripercussioni dal punto di vista dell’architettura del sistema di potenza, è data dalle dimensioni dell’antenna. Essa infatti può tranquillamente raggiungere lunghezze di 10 metri: ad esempio l’antenna SAR a bordo di Envisat (missione ESA attiva dal 2002) ha dimensioni 10x1.3m, mentre quella di Radarsat-2 (il cui lancio è previsto nel 2007) misura addirittura 15x1.5m. In questi casi il progetto del sistema di potenza è fortemente condizionato dalla necessità di distribuire elevati livelli di potenza su tutta la lunghezza dell’antenna. Inoltre tale potenza deve essere fornita a basse tensioni e su diversi livelli. Tipicamente un SAR necessita infatti di una tensione DC a circa 10V per alimentare lo stadio di potenza a radiofrequenza, una tensione DC a 5V per l’elettronica digitale ed il trasmettitore, ed una tensione DC negativa –5V per i transistor di potenza a radiofrequenza. Queste caratteristiche peculiari, fanno sì che il sistema di potenza per una missione di telerilevamento attivo, in particolare se a bordo è previsto un SAR, debba essere studiato e progettato con particolare attenzione.