Promuovere la fattibilità di piccole formazioni satellitari auto-organizzanti
I satelliti utilizzati per la comunicazione, il posizionamento e l’osservazione della Terra sono tradizionalmente grandi, complessi e costosi. Tuttavia, ci sono cambiamenti all’orizzonte. Come i computer e i telefoni, i satelliti stanno diventando sempre più piccoli (alcuni pesano solo 1 kg). Poiché i costi per il veicolo di lancio sono proporzionali alla massa dei satelliti, la miniaturizzazione di questi ultimi sta contribuendo a ridurre i costi associati alle missioni. Di conseguenza, questi satelliti, noti come picosatelliti, potrebbero presto lavorare in formazione e integrare i satelliti più grandi e costosi di oggi. Nel 2020, i ricercatori del progetto NetSat (Networked Pico-Satellite Distributed System Control), finanziato dall’UE, sono pronti a dimostrare il primo sistema di controllo al mondo di una formazione tridimensionale auto-organizzante per mezzo di quattro picosatelliti in orbita. Per saperne di più su questa svolta, e su cosa significhi per il futuro dei servizi satellitari, abbiamo parlato con Klaus Schilling. Schilling è professore e titolare della cattedra di Robotica e telematica presso l’Università di Würzburg nonché coordinatore della sovvenzione del CER, che è in corso di attuazione presso il Centro di telematica, un istituto di ricerca indipendente a Würzburg, in Germania.
Qual è l’obiettivo principale che il progetto NetSat si prefiggeva di raggiungere?
Schilling: C’è un grande cambiamento di paradigma in corso nell’ingegneria dei velivoli spaziali. I satelliti singoli, grandi e multifunzionali di oggi verranno sostituiti da gruppi di piccoli satelliti. Nel prossimo futuro, invece di mandare in orbita un grande satellite, vedremo un numero maggiore di piccoli satelliti collegati in rete, che cooperano nello spazio. Il potenziale delle reti di sensori distribuiti in orbita con grandi distanze di base tra i satelliti consentirà misurazioni multipunto e migliorerà la caratterizzazione dell’ambiente spaziale terrestre, nonché l’osservazione della Terra e le telecomunicazioni. Tuttavia, prima che ciò possa accadere, dobbiamo innanzitutto capire come far funzionare questi piccoli satelliti come una squadra e come farli volare in formazione, nonché in che modo consentire la loro comunicazione e coordinamento reciproco. È di questo che si occupa il progetto NetSat: creare un dimostratore tecnologico per dimostrare la fattibilità di una formazione di piccoli satelliti che possa fungere da piattaforma per esperimenti scientifici e, potenzialmente, applicazioni commerciali.
Quali risultati si otterranno durante la dimostrazione in orbita?
Prima della dimostrazione, l’attenzione del progetto era concentrata sullo sviluppo delle tecnologie di controllo fondamentali necessarie per realizzare il volo in formazione tridimensionale. Per la prima volta in assoluto, la dimostrazione in orbita lo convaliderà controllando tutti e quattro i satelliti in una formazione auto-organizzata. Attualmente, quasi tutti i sistemi multi-satellite sono utilizzati come costellazioni e ogni satellite viene telecomandato individualmente da un centro di controllo a terra. Quello che stiamo cercando di fare è far funzionare i satelliti in gruppo o volare in formazione, con assetti e posizioni relative misurati e scambiati tramite collegamenti inter-satellite. Su questa base, le azioni di controllo saranno coordinate per evitare collisioni e consentire geometrie ottimali per le attività di osservazione stabilite.
In che modo questo sviluppo si configura come «rivoluzionario»?
Essere in grado di controllare un gruppo di picosatelliti e farli lavorare in gruppo apre le porte a un’ondata di applicazioni innovative nell’osservazione della Terra e nelle telecomunicazioni. Ad esempio, abilitando le osservazioni simultanee di determinate aree da diverse prospettive, i sistemi di osservazione della Terra saranno in grado di generare immagini 3D innovative della superficie e dell’atmosfera terrestri. Vi è poi l’imminente www.telematik-zentrum.de/cloudct (missione CloudCT), che prevede una formazione di 10 piccoli satelliti che useranno i principi della tomografia computerizzata per caratterizzare l’interno delle nuvole come mezzo per migliorare le previsioni climatiche.
In che modo il progetto ha fatto progredire lo stato dell’arte dei picosatelliti?
Per garantire il funzionamento sicuro di un gruppo di satelliti vicini l’uno all’altro, abbiamo sviluppato uno schema autonomo per evitare collisioni. Questa funzione, ad esempio, contribuirà a garantire che questi satelliti non si scontrino con la quantità drasticamente crescente di detriti che fluttua nello spazio. Inoltre, molte applicazioni devono puntare i loro strumenti o antenne ad alta precisione verso una determinata area ed essere in grado di adattare continuamente il loro orientamento verso un oggetto osservato per compensare la loro elevata velocità di movimento. A tale scopo, abbiamo sviluppato ruote di reazione miniaturizzate ad alta efficienza energetica appositamente progettate per fornire un livello di precisione di virata senza pari per satelliti molto piccoli. Soprattutto, abbiamo implementato un appropriato sistema di piccoli satelliti, in cui ogni satellite pesa solo 4 kg ma è ancora in grado di essere completamente attrezzato con tutti i sottosistemi necessari per le operazioni di formazione. Questi includono un sistema di determinazione e controllo dell’assetto, un sistema di determinazione dell’orbita, un sistema di comunicazione in grado di attuare comunicazioni inter-satellite e satellite-terra, nonché una propulsione elettrica per il controllo dell’orbita e il mantenimento della formazione.
Quale sarà l’eredità di NetSat?
Il complesso software e hardware interdisciplinare per gruppi operativi di piccoli satelliti sviluppato nell’ambito di NetSat è ora pronto per il lancio, attualmente previsto per giugno 2020. Tale sistema incentiverà le future applicazioni basate sulla rete di sensori distribuiti per i nuovi approcci di osservazione della Terra. Questo, insieme agli schemi di prevenzione delle collisioni, rappresenterà l’eredità di NetSat.
Quali sono i piani futuri dopo NetSat?
A seguito di una dimostrazione in orbita di successo di NetSat, il passo successivo è sfruttare le capacità di volo in formazione raggiunte per missioni applicative innovative. Sono stati lanciati numerosi progetti, ciascuno dei quali sfrutta il sistema NetSat nel contesto dell’osservazione della Terra. Ad esempio, la missione Telematics Earth Observation Mission (TOM) utilizza una formazione di tre piccoli satelliti per generare immagini 3D della superficie terrestre con metodi fotogrammetrici.
Paesi
Germania