Precision farming and sustainability : optimisation of a radar microsatellites constellation for Italian agriculture

Satellites are proving to be more and more useful in several areas, not only telecommunications. One of these is agriculture. Current social, economic and environmental changes require agriculture to become more productive and efficient while decreasing the environmental footprint and the cultivated area. Precision farming, which is a modern concept using digital techniques to monitor and optimize agricultural production processes, has proven to be the correct solution. Precision farming relies on several measurements of the crop status to guide decision-making. However, huge fields and crop phenology requires an instrument with large access area, that do not need continuous human piloting and capable of providing recursive passages, even over a single day. Therefore, satellites are very suitable platforms for carrying the sensors needed in agriculture, thanks to their altitude and intrinsic characteristics. Moreover, satellites can be arranged in a constellation, and this allows providing several measurements of the same site in a short period. As the number of satellites increases in a constellation, their dimension can decrease, decreasing the overall cost as well, while maintaining high performances. However, designing a constellation is a challenge, as there are no general rules. The high expenses, the safety treat to space and the huge design and computational effort increase the difficulty. The design shall take into account several drivers in a trade-off manner. Basically, there are two types of sensors for Earth observation, optical and infrared sensors and microwave sensors. In this work, a model capable of computing the main characteristics of a microsatellites constellation with Synthetic Aperture Radar sensors has been designed. Then, this model has been used through a multi-criteria constellation design, where several properties are assessed. Each of these properties represents a constellation performance or cost. In particular, a multi-objective optimisation based on a genetic algorithm has been employed in order to find few optimal constellations that satisfy the mission requirements of the Italian agriculture use case. Part of the work has been devoted to retrieving the requirements starting from the state of the art and the user needs (Italian farmers and Italian agriculture as a whole). A final effort has been made in estimating the economic, social and environmental benefits that precision farming, through satellites data, can provide. This work finds itself in the context of the new European project called "A Green New Deal", which pushes for the use of space data in the context of agriculture because of their huge applicability. Moreover, thanks to the European project called "Recovery plan for Europe" the Italian government might fund the project of a mixed optical-radar constellation of remote sensing of the Italian territory. This work has been developed as a collaboration between Politecnico di Milano and Thales Alenia Space Italia.

I satelliti si stanno dimostrando sempre più utili in diversi settori, non solo nelle telecomunicazioni. Uno di questi è l'agricoltura. Gli attuali cambiamenti sociali, economici e ambientali richiedono che l'agricoltura diventi più produttiva ed efficiente riducendo al contempo l'impatto ambientale e l'area coltivata. L'agricoltura di precisione, che è un concetto moderno che utilizza tecniche digitali per monitorare e ottimizzare i processi di produzione agricola, si è dimostrata la soluzione corretta. L'agricoltura di precisione si basa su diverse misurazioni dello stato delle colture per guidare il processo decisionale. Tuttavia, i le grandi dimensioni dei campi coltivati e la fenologia delle colture richiedono uno strumento con ampia area di accesso, che non necessiti di un pilotaggio umano continuo e in grado di fornire passaggi ricorsivi, anche nell'arco di un solo giorno. I satelliti sono quindi piattaforme molto adatte per trasportare i sensori necessari in agricoltura, grazie alla loro altitudine e alle loro caratteristiche intrinseche. Inoltre, i satelliti possono essere disposti in una costellazione, e questo consente di fornire diverse misurazioni dello stesso sito in un breve periodo. All'aumentare del numero di satelliti in una costellazione, la loro dimensione può diminuire, diminuendo anche il costo complessivo, pur mantenendo elevate le prestazioni. Tuttavia, progettare una costellazione è una processo complesso, poiché non esistono regole generali. Le spese elevate, la sicurezza per lo spazio e l'enorme lavoro di progettazione e calcolo aumentano la difficoltà. Il progetto deve tener conto di più drivers in modo equilibrato. Fondamentalmente, ci sono due tipi di sensori per l'osservazione della Terra, sensori ottici e infrarossi e sensori a microonde. In questo lavoro è stato progettato un modello in grado di calcolare le principali caratteristiche di una costellazione di microsatelliti con sensori radar ad apertura sintetica. Quindi, questo modello è stato utilizzato in un progetto di costellazione multicriterio, in cui vengono valutate diverse proprietà. Ciascuna di queste proprietà rappresenta una prestazione o un costo della costellazione. In particolare, è stata impiegata un'ottimizzazione multi-obiettivo basata su un algoritmo genetico al fine di trovare poche costellazioni ottimali che soddisfino i requisiti di missione del caso d'uso dell'agricoltura italiana. Parte del lavoro è stata dedicata alla definizione dei requirements partendo dallo stato dell'arte e dalle esigenze degli utenti (agricoltori italiani e agricoltura italiana nel suo complesso). Un ultimo sforzo è stato compiuto per stimare i benefici economici, sociali e ambientali che l'agricoltura di precisione, attraverso i dati dei satelliti, può fornire. Questo lavoro si trova nel contesto del nuovo progetto europeo chiamato "A Green New Deal", che spinge per l'uso di dati spaziali nel contesto dell'agricoltura a causa della loro enorme applicabilità. Inoltre, grazie al progetto europeo denominato "Recovery plan for Europe" il governo italiano potrebbe finanziare il progetto di una costellazione mista ottico-radar di telerilevamento del territorio italiano. Questo lavoro è stato sviluppato tra Politecnico di Milano e Thales Alenia Space Italia durante un periodo di stage.