Synchronous high revisit mixed sensor constellation : architectural design optimisation and trade-offs for emergency response

This study addressed the design of a synchronous high revisit constellation of optical and Synthetic Aperture Radar (SAR) small satellites dedicated to emergency response in Italy. The constellation was optimised for optical and SAR data fusion. In fact, optical and SAR data can be fused and jointly analysed to improve the information content; however, the two acquisitions should be made within a short time interval (or synchronously), especially when fast time-changing phenomena are involved, such as emergencies. Three new figures of merit that express the synchronous constellation's performance were presented and optimised in this work. These new figures of merit are the synchronicity time, synchronous revisit time and synchronous coverage. In particular synchronicity time expresses the required time interval between the optical and SAR acquisitions and, in this thesis, it is introduced as a variable that has to be minimised, rather than as a fixed value imposed by the designer. Moreover, the main sources of uncertainties are discussed, and then the Pareto front that expresses the compromise between synchronous performance and cost drivers was found by employing a variation of NSGA-II. Three constellation orbital architectures were analysed: a Walker pattern with optical and SAR satellites on Sun-synchronous orbits, a Walker with satellites in generally inclined orbits, and a hybrid pattern with optical satellites on Sun-synchronous orbits and SAR satellites in generally inclined orbits. Results show that synchronicity time has a strong influence on synchronous revisit time, synchronous coverage and costs. Moreover, The pattern with satellites on inclined orbits yields the best results for regional coverage over Italy. However, optical satellites on Sun-synchronous orbits can provide more consistent performances over seasons due to favourable illumination conditions. This work has been developed as a collaboration between Thales Alenia Space Italia S.p.A. and the Department of Aerospace Science and Technology of Politecnico di Milano.

Questo studio ha affrontato la progettazione di una costellazione sincrona ad alta rivisita di piccoli satelliti ottici e Synthetic Aperture Radar (SAR) dedicata alla risposta alle emergenze in Italia. La costellazione è stata ottimizzata per la fusione di dati ottici e SAR. Infatti, questi dati possono essere fusi e analizzati congiuntamente per migliorare il contenuto informativo; tuttavia, le due acquisizioni dovrebbero essere effettuate entro un breve intervallo di tempo (o in modo sincrono), soprattutto quando sono coinvolti fenomeni di cambiamento temporale rapido, come le emergenze. In questo lavoro sono state presentate e ottimizzate tre nuove figure di merito che esprimono la performance della costellazione sincrona. Queste sono il tempo di sincronicità, il tempo di rivisita sincrono e la copertura sincrona. In particolare il tempo di sincronicità esprime l'intervallo di tempo richiesto tra le acquisizioni ottiche e SAR e, in questa tesi, viene introdotto come una variabile che deve essere minimizzata, piuttosto che come un valore fisso imposto dal progettista. Inoltre, le principali fonti di incertezza sono state discusse, e il fronte di Pareto che esprime il compromesso tra prestazioni sincrone e driver di costo è stato trovato, impiegando una variante di NSGA-II. Sono state analizzate tre architetture orbitali di costellazione: un pattern Walker con satelliti ottici e SAR su orbite eliosincrone, un pattern Walker con satelliti in orbite generalmente inclinate e un pattern ibrido con satelliti ottici su orbite eliosincrone e satelliti SAR in orbite inclinate. I risultati mostrano che il tempo di sincronicità ha una forte influenza sul tempo di rivisita sincrono, sulla copertura sincrona e sui costi. Inoltre, il pattern con satelliti su orbite inclinate fornisce i migliori risultati per la copertura regionale sull'Italia. Tuttavia, i satelliti ottici su orbite eliosincrone possono fornire prestazioni più costanti nel corso delle stagioni grazie a condizioni di illuminazione favorevoli. Questo lavoro è stato sviluppato in collaborazione tra Thales Alenia Space Italia S.p.A. e il Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali del Politecnico di Milano.