GEO-SAR: orbital design for the performance optimization

SAR interferometry can be a powerful tool to measure changes in fast evolving phenomena like landslides, floods, volcanic events, seismic motion, infrastructures deformations and subsidence. These phenomena require continuous imaging which cannot be achieved by classical LEO SAR because of the long revisit time. Geosynchronous SAR can accomplish this scope, having a revisit time of 1 sidereal day or less, and quasi-geostationary orbits optimize this aspect keeping their relative position with respect to Earth almost stable during one orbital period. GEO InSAR require high levels of coherence between two or more observations, which are achieved with nearly exact repetition of the geometry of observation. Moreover, the orbital track must be kept within the longitudinal box defined by the International Telecommunication Union (ITU) regulations. The objective of this research is to design the optimal orbital performances of a quasi-geostationary SAR in order to guarantee during the entire mission low values of normal baseline and almost perfect angular bands overlap between two consecutive observations, all using the less possible number of maneuvers and propellant. In order to achieve this goal, first of all the complete set of orbital elements and the starting epoch are determined with the aim of observing a desired region on Earth (Italy and Europe). The orbital control is obtained by a cycle of maneuvers in all three relative directions in one orbital period, performed at regular time intervals (from 1 to 7 days). The orbit is maintained as similar as possible to the “frozen” reference one for the entire simulation of 1 year, guaranteeing suitable overlaps and baselines for an acceptable amount of time. With higher time intervals between maneuvers, the interferometric performances worsen but the total ΔV needed decreases. These results confirm the feasibility of a quasi-geostationary SAR and its advantages with respect to current missions.

L’interferometria SAR può essere un potente mezzo per misurare cambiamenti in fenomeni in veloce evoluzione come frane, inondazioni, eventi vulcanici, movimenti sismici, deformazioni di infrastrutture e cedimenti. Questi fenomeni richiedono una continua acquisizione di immagini che non può essere raggiunta da un classico LEO SAR a causa del lungo tempo di rivisita. SAR geosincroni possono adempiere a questo scopo, avendo un tempo di rivisita di un giorno sidereo o meno, e orbite quasi-geostazionarie ottimizzano questo aspetto mantenendo la loro posizione relativa rispetto alla Terra praticamente stabile durante un periodo orbitale. GEO InSAR richiedono alti livelli di coerenza tra due o più osservazioni, che sono raggiunti con una quasi esatta ripetizione della geometria di osservazione. In più, la traccia orbitale deve essere mantenuta del box in longitudine definito dalle normative dell’International Telecommunication Union (ITU). L’obiettivo di questo lavoro è di progettare le prestazioni orbitali ottimali di un SAR quasi-geostazionario, in modo da garantire durante l’intera durata della missione bassi valori di baseline normali e quasi perfetta sovrapposizione delle bande angolari tra due osservazioni consecutive, il tutto usando il minor numero possibile di manovre e minor quantità possibile di propellente. Per raggiungere questo risultato, prima di tutto sono definiti il set completo di elementi orbitali e l’epoca di partenza con l’obiettivo di osservare una determinata area sulla Terra (Italia e Europa). Il controllo orbitale è ottenuto tramite un ciclo di manovre in tutte e tre le direzioni relative in un periodo orbitale, eseguito a intervalli di tempo regolari (da 1 a 7 giorni). L’orbita è mantenuta il più simile possibile ad un’orbita “congelata” di riferimento per l’intera simulazione di 1 anno, garantendo convenienti valori di sovrapposizioni e baseline per un accettabile periodo di tempo. Aumentando l’intervallo di tempo tra le manovre, le prestazioni interferometriche peggiorano, ma il ΔV totale richiesto diminuisce. Questi risultati confermano la fattibilità di un SAR quasi-geostazionario e i suoi vantaggi rispetto alle attuali missioni.