Design of a MIMO SAR CubeSat formation flight constellation for maritime surveillance

This paper covers the design of a constellation of CubeSat formation flights for Synthetic Aperture Radar surveillance of maritime traffic, leveraging developments in MIMO distributed SAR systems to achieve system performance and a high revisit rate. Additionally, multiple images can be generated of the same scene in slightly different times, enabling the identification and measures of moving targets (be them vehicles or sea currents), by along-track-interferometric approaches. These advantages are to be considered on top of the flexibility, robustness, and scalability common to distributed sensors formation. The design entails some challenges, such as the precise keeping of the inter-sensor distance of the formation along and across-track, and the design of the orbits for the constellations of formations to meet the observational requirements. The design is conducted using a set performance baseline for individual satellites and a hypothetical set of requirements for minimum system performance, including an operational area of interest set as the Mediterranean Sea. The optimal formation size is investigated at a high level and specified required performance is determined. Following this, the optimal constellation required to achieve the specified minimum performance is conceived using a multi-objective genetic algorithm considering Walker pattern constellations. The genetic algorithm focuses on system performance while also considering system cost; both monetarily and from a mission analysis point of view. Two separate configurations are considered in the formulation of the optimal solution; small swath and large swath strip map modes. Each configuration consists of a number of satellites in close formation flight in order to achieve the specified minimum performance. This investigation is performed under the assumption of a fixed pointing scan mode and a search mode, where the instrument can slew to the target. Once identified, the performance of solutions output by the genetic algorithm is examined across the target area. Finally, the lifetime of the constellation is investigated under several perturbations to assess constellation maintenance requirements.

Questo documento presenta la progettazione di una costellazione di CubeSat che volano in formazione per la sorveglianza SAR del traffico marittimo, sfruttando gli sviluppi in sistemi distribuiti SAR MIMO per ottenere prestazioni di sistema e un alto rateo di rivisita. Inoltre, molteplici immagini della stessa scena possono essere generate in tempi leggermente diversi, permettendo l'identificazione e la misura di obiettivi in movimento (siano essi imbarcazioni o correnti marine), tramite approcci interferometrici along-track. Questi vantaggi devono essere considerati in aggiunta alla flessibilità, robustezza e scalabilità caratteristici di una formazione di sensori distribuiti. La progettazione comporta alcune sfide, come il mantenimento preciso della distanza tra sensori della la formazione along track e across track e la progettazione delle orbite per le costellazioni in formazione per soddisfare i requisiti di osservazione. La progettazione è condotta utilizzando una baseline di prestazioni impostata per i singoli satelliti e un ipotetico set di requisiti per le prestazioni minime del sistema, inclusa un'area operativa di interesse fissata come il Mar Mediterraneo. La dimensione ottimale della formazione è studiata ad alto livello e vengono determinate le prestazioni richieste. In seguito, la costellazione ottimale necessaria per raggiungere le prestazioni minime specificate è concepita utilizzando un algoritmo genetico multi-obiettivo che considera le costellazioni con uno schema Walker. L'algoritmo genetico si concentra sulle prestazioni del sistema considerando anche il costo del sistema; sia finanziariamente che dal punto di vista dell'analisi della missione. Due configurazioni separate sono considerate nella formulazione della soluzione ottimale: a fascia stretta e larga e modalità di mappatura a strisce. Ogni configurazione consiste in un numero di satelliti in formazione stretta al fine di raggiungere le prestazioni minime specificate. Questa indagine è performata sotto l'ipotesi di una modalità di scansione a puntamento fisso e una modalità di ricerca, dove lo strumento può ruotare verso il bersaglio. Una volta identificate, le prestazioni delle soluzioni prodotte dall'algoritmo genetico vengono esaminate attraverso l'area obiettivo. Infine, la vita utile della costellazione è studiata con diverse perturbazioni per valutare i requisiti di mantenimento dell'orbita della costellazione.