Analysis of performance enhancement options for innovative new space economy downstream services

The presented thesis work researches the development trends of the New Earth Observation (EO) economy and proposes three solutions to enhance the performance of monitoring applications. In Low Earth Orbit there are more than 230 commercial optical satellites available, whereas there are only 19 commercial SAR satellites. These numbers are expected to grow in the next decade due to the increase in the number of downstream actors that will exploit space data in their value proposition. In fact, in the last five years in Europe more than 500 new start-ups were created aiming to extract value from Earth Observation (EO) data. Most of them, with their monitoring applications, are tackling the United Nations Sustainable Development Goals increasing the sustainability of the related economies. These applications increase the demand for high quality EO images; therefore, they increase the demand for new EO upstream infrastructures. In order to guarantee a near-real time monitoring, the revisit time must be lower than 12 hours. However, this requirement is not satisfied by the commercial imagery satellites available in Europe. As an example, the revisit time for the Sentinel (Copernicus Programme) constellation is nearly 48 hours. Therefore, the aim of this study is to analyse different options to enhance the monitoring performance and reduce the maximum downlink interval. This parameter, relevant to downstream companies, measures the time span between two subsequent downloads of information. The first option studies how the combined use of different EO satellites could influence the revisit interval. The results show that the synergic use of all European SAR satellites could lower the revisit time below 11 hours for monitored locations placed in Italy. The second option studies how the adding of a new ground station near to the monitored locations could lower the maximum downlink interval. The research exploits an optimization algorithm that tries to minimize the maximum downlink interval designing the position (latitude, longitude) of new ground stations. The results show that additional ground stations have lower influence on the downlink interval, in the case of Rome the reduction is less than 15%. The third option uses the same procedure to design the orbital elements (semi-major axis, inclination, RAAN) of new EO satellites. The results indicate that the introduction of a new SAR satellite in the global mix of 19 could lower the maximum downlink interval to nearly 6 hours considering Milan as the monitored location, with a 38% reduction with respect to the nominal case (10 hours). Similar advancements are obtained with a group of 23 US optical satellites, the reduction of the maximum downlink interval is nearly 44%. This thesis work could foster the development of innovative downstream applications that could exploit more frequent data about specific locations. Moreover, the research could help upstream companies and public institutions in the design process of new EO satellites.

Il presente lavoro di tesi ricerca gli sviluppi della New Earth Observation (EO) economy e propone tre soluzioni per incrementare le performance delle applicazioni di monitoraggio commerciale. In orbita bassa terrestre sono presenti oltre 230 satelliti commerciali di monitoraggio ottico e soltanto 19 satelliti di monitoraggio SAR. Questi numeri sono destinati a crescere nella prossima decade a causa di un aumento continuo del numero di aziende di downstream che utilizzano i dati spaziali di osservazione della terra per proporre valore ai loro clienti. Soltanto negli ultimi 5 anni in Europa sono state fondate più di 500 nuove start-up che propongono di estrarre valore dai dati satellitari. La maggioranza di queste, con le loro applicazioni di monitoraggio, cercano di raggiungere gli obiettivi di sviluppo sostenibile individuati dalle Nazioni Unite (SDGs). Queste applicazioni aumentano la domanda di immagini ottiche e SAR ad alta risoluzione e quindi aumentano la domanda di nuove infrastrutture upstream, come satelliti e ground stations. Secondo lo studio degli attori di downstream, per garantire un monitoraggio in quasi tempo reale é necessario utilizzare immagini con un tempo di rivisita del sito da monitorare sotto le 12 ore. Purtroppo, questo requisito non é garantito dalla maggior parte delle costellazioni disponibili in Europa. Ad esempio, i satelliti Sentinel del programma Copernicus presentano un tempo di rivista di circa 48 ore. Data la seguente analisi, questo studio si pone l’obiettivo di proporre tre differenti soluzioni per aumentare le performance dei satelliti di monitoraggio e ridurre il tempo massimo di downlink. Questo parametro, rilevante per le aziende fornitrici di servizi downstream, misura l’intervallo di tempo tra due successivi download di informazioni relativi ad un singolo sito di monitoraggio. La prima opzione proposta studia come l’utilizzo combinato e sinergico di differenti satelliti di EO possa influenzare il tempo di rivisita e il massimo intervallo di downlink. I risultati mostrano che l’uso combinato di tutti i satelliti Europei SAR è in grado di ridurre l’intervallo di rivista a circa 11 ore per tutti gli 8 siti Italiani presi in considerazione. La seconda opzione studia come l’aggiunta di ground stations addizionali vicino ai siti di monitoraggio possa ridurre l’intervallo massimo di downlink. L’algoritmo progettato sfrutta un ottimizzatore per progettare la posizione geografica (latitudine e longitudine) delle nuove ground stations, minimizzando il tempo massimo di rivisita. I risultati mostrano che nuove ground stations hanno una bassa influenza sui parametri di monitoraggio, nel caso di Roma la riduzione é minore del 15%. La terza opzione sfrutta lo stesso algoritmo di ottimizzazione per progettare i parametri orbitali (semi-asse maggiore, inclinazione e RAAN) di nuovi satelliti EO in orbita bassa circolare. I risultati indicano che l’introduzione di un nuovo satellite SAR nel mix globale di 19 potrebbe ridurre il tempo massimo di downlink al di sotto di 6 ore considerando Milano come sito di monitoraggio, con una riduzione del 38% rispetto al caso nominale (10 ore). Miglioramenti simili sono ottenuti con il gruppo di 23 satelliti ottici US, la riduzione in questo caso é circa il 44%. Concludendo, il presente lavoro potrebbe facilitare lo sviluppo di nuovi servizi di monitoraggio innovativi in grado di sfruttare dati EO più frequenti e precisi. Inoltre, questa ricerca potrebbe aiutare le aziende di upstream e le istituzioni pubbliche nella progettazione di nuove infrastrutture di osservazione della terra.