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Progetto HORTA
POR-FESR Regione Lazio 2014-2020 - Aerospazio

 

Il gruppo di Ingegneria dell'Università della Tuscia, attraverso il CINTEST, partecipa al progetto aerospaziae HORTA.

L’iniziativa HORTA, una MISSIONE SATELLITARE per applicazioni di PRECISION FARMING, è rivolta allo studio e alla realizzazione di EQM e PFM di soluzioni innovative per sistemi e sottosistemi di SATELLITI di CLASSE CUBESAT 6U, destinati ad imbarcare payload per l’OSSERVAZIONE DELLA TERRA e REMOTE SENSING. Il payload proposto è un riflettometro passivo GNSS-R per l’analisi dello stato del suolo, in particolare delle caratteristiche di umidità e biomassa, affiancato da un trasmettitore ad alto bit-rate Banda Ka.
HORTA si propone, inoltre, di studiare e realizzare un CENTRO DI RICEZIONE ed ELABORAZIONE dei dati inviati a terra dal CUBESAT, al fine di offrire un servizio chiavi in mano agli utenti, siano essi pubblici o privati.
Il progetto affronta TEMATICHE DI OSSERVAZIONE DELLA TERRA, in particolare “land use & land surface change applications”, in risposta alla SFIDA SOCIALE “SPACE”, ritenuta prioritaria dai principali stakeholders per l’Area di Specializzazione “AEROSPAZIO”. Le dimensioni ridotte dei sottosistemi di una piattaforma di piccola taglia e del payload (peso stimato al lancio di 10 kg), costituiscono l’aspetto più innovativo del progetto HORTA. Verranno, infatti, utilizzate tutte le tecnologie più innovative utili alla miniaturizzazione di ciascun componente e sottosistema al fine di ridurre masse e volumi.
L’obiettivo è realizzare un CUBESAT con performance paragonabili a quelle dei satelliti classici (di taglia molto superiore), ma con dimensioni di molto ridotte e soprattutto con costi nettamente inferiori, grazie all’adozione di componentistica COTS e policy di screening e ridondanza avanzate al fine di ottenere buoni risultati circa l’affidabilità.

 

L'Università della Tuscia si è occupata di 4 pacchetti di lavoro:

OR3: Progetto di Sistema e di Dettaglio

A 3.07 – Struttura e Meccanismi (UNITUS)

 

Il task consiste nella definizione della geometria della struttura principale del satellite Cubesat 6U, con relativo dimensionamento delle componenti necessarie all’alloggiamento dei payload. L’attività è stata conclusa nei tempi prefissati.

La geometria di riferimento è stata opportunamente disegnata e dimensionata secondo le specifiche di resistenza e funzionali per l’alloggiamento ed il montaggio delle componenti. La modellazione 3D è stata eseguita in ambiente CAD commerciale e parametrico per la definizione di montaggi modulari.

In questa fase sono stati raggiunti gli obbiettivi che ci si era preposti di progettazione della struttura articolata in componenti di facile montaggio e ridotta massa, realizzati in materiale leggero con alloggiamenti funzionali per le componenti elettriche.

La struttura in alluminio si compone di due pannelli principali alleggeriti, sui quali vengono realizzati di pezzo 4 elementi di connessione con il lanciatore, denominati rail. I pannelli sono connessi tra loro mediante supporti posizionati ai vertici e nei punti medi dei lati dei pannelli. Su pannelli e supporti sono stati realizzati i punti di fissaggio per le sottostrutture modulari che alloggiano la componentistica elettrica di bordo e il Payload. Sulle superfici esposte del satellite vengono installati i pannelli solari per l’alimentazione elettrica, questi vengono fissati senza necessità di movimentazione.

In questo task è stato progettato in dettaglio il case che ospiterà l’elettronica del Payload. Si tratta di un elemento in alluminio realizzato in parti sovrapposte per garantire l’assemblaggio funzionale della componentistica elettronica ospitata.

Tutta la struttura e le sottostrutture rispondono alle specifiche di resistenza termo-strutturale e dinamica imposte dagli standard. I risultati sono testimoniati da analisi numeriche termo-strutturali e modali effettuate.

Obiettivo ulteriore dell’A3.07 è la definizione del meccanismo di dispiegamento. L’approfondita indagine delle possibilità di realizzazione del meccanismo di apertura delle antenne ha portato a definire tipologia, disposizione e dimensione del meccanismo. Lo studio è stato effettuato dal punto di vista meccanico, funzionale e tecnologico. I requisiti di ingombro rappresentano il vincolo principale di progettazione, ai quali si aggiunge la necessità di semplificazione del meccanismo dato l’elevato grado di affidabilità richiesto.

La scelta è ricaduta su un meccanismo a cerniera cilindrica, dotato di un fondo-corsa per la definizione della posizione finale dell’antenna. L’attuazione del movimento avverrà mediante molla torsionale dimensionata in funzione della dimensione delle antenne.

Infine è stato progettato il sistema di supporto a terra del satellite (MGSE), sul quale avviene l’assiemamento delle componenti e il successivo trasporto e stoccaggio a terra del satellite. Il sistema è dotato di un cinematismo a quadrilatero articolato in grado di sollevare e ribaltare su un fianco il satellite per consentire il serraggio delle componenti nonché l’accesso per i collegamenti elettrici ed elettronici.

Per la realizzazione della struttura principale, delle sottostrutture, del case del Payload e del sistema MGSE sono stati prodotti disegni tecnici di dettaglio e complessivi di assemblaggio.
 
 

OR6: Centro Operativo Missione

A 6.02:  Realizzazione del Centro Operativo (UNITUS)

 

L’attività 6.02 h riguardato la realizzazione del Centro Operativo di terra del progetto, ovvero la stazione (di seguito detta anche Ground Station) per la ricezione e l’invio del segnale da e verso il satellite Horta e la sua elaborazione mediante i software di calcolo realizzati nell’attività 6.03.

Il sito di installazione selezionato per il sistema hardware della ground station è la palazzina blocco F del Campus Riello dell’Università della Tuscia. I componenti che compongono la ground station possono essere suddivisi in due macro-gruppi, definiti come “Antenna system” e “Sala Workstations”.

Le antenne e il sistema servo-motorizzato utile al tracking dei satelliti sono alloggiati sul tetto del blocco attraverso un traliccio. Al di sotto del traliccio è presente una scatola elettrica con all’interno gli amplificatori di antenna UHF e VHF.  Tutti gli altri componenti facenti parte dell’antenna system e la stazione meteo sono alloggiati tra il solaio e il quadro elettrico (Figura 3), collocato di fronte alla porta di accesso che conduce al tetto dell’edificio e al sito di installazione delle antenne. In tale quadro è presente anche l’UPS del sistema di antenna che consente di arrestare il sistema e di poter fare ruotare l’antenna in caso di blackout per consentire la messa “a bandiera” della stessa in caso di vento al di sopra dei 50 km/h.

Il secondo macro-blocco che riguarda la “sala Workstations” dove sono presenti due postazioni che possono essere utilizzate in contemporanea anche in configurazione di backup. Sono presenti anche due unità UPS che consentono il salvataggio e l’arresto del sistema in sicurezza in caso di blackout e aiutano a prevenire eventuali danneggiamenti dei componenti delle workstations dovuti a micro-interruzioni o sovratensioni momentanee della linea di alimentazione a 230 V.

La scelta della sede per la realizzazione della ground station si sposa con l’intenzione di realizzare con essa corsi di formazione per gli studenti dell’Università all’interno degli insegnamenti dei corsi di laurea o attraverso laboratori dedicati. A tal fine sono stati realizzati materiali didattici di supporto ai corsi di formazione.
 

OR6: Centro Operativo Missione

A 6.03: Centro Data Fusion (UNITUS)

 

L’attività A 06.03 dell’OR6 ha riguardato lo studio e la messa a punto di una procedura per l’analisi dei dati ottenuti con tecnologia global navigation satellite system reflectometry (GNSS-R) e l’estrazione di stime di umidità del suolo.

La tecnica GNSS-R consiste nell’utilizzo di un riflettometro passivo che riceve segnali nella banda L (1-2 GHz) che sono notevolmente influenzati dalle caratteristiche della copertura terrestre, quali la presenza di biomassa e l’umidità. Confrontando il segnale ricevuto direttamente da un trasmettitore con il segnale riflesso dalla superficie terrestre, l’approccio si propone di ottenere una stima delle proprietà dielettriche del suolo (primi cm). I cubesat della missione NASA CYGNSS sono tra gli osservatori satellitari attualmente operativi che utilizzano la tecnologia GNSS-R. Tuttavia, stime validate di umidità del suolo sono ad oggi disponibili principalmente grazie alla missione NASA Soil Moisture Active Passive (SMAP) che sfrutta la radiometria a microonde e offre dati alla risoluzione spaziale di 36 km2.

In questa attività, si è realizzato un software per il processamento dei dati GNSS-R ricavati dagli osservatori CYGNSS. La procedura utilizza i valori di umidità del suolo acquisiti contemporaneamente dai satelliti CYGNSS e SMAP per istruire una rete neurale in grado di sviluppare una mappa di umidità del suolo a livello regionale.

Inoltre, il lavoro ha compreso l’elaborazione di due metodologie per il filtraggio dei dati acquisiti dai satelliti CYGNSS volto ad aumentare l’accuratezza della stima di umidità.

L’approccio è stato validato utilizzando i dati relativi alla regione del Texas, USA.
 

OR7: Promozione, Comunicazione e Diffusione

Attività incluse:

A 7.05 – Promozione, Comunicazione e Diffusione (UNITUS): Promozione dei risultati del progetto attraverso comunicazione, convegno, articoli e seminari;

 

Il CINTEST ha svolto attività di reclutamento e formazione delle figure professionali indicate come obiettivo da realizzare nel progetto. Sono stati individuati 3 studenti dei corsi di ingegneria industriale che hanno avviato la loro collaborazione nelle attività nelle quali UNITUS è coinvolta, in particolare in A3.07 e A6.03. UNITUS si è adoperata alla formazione tecnica necessaria ad affrontare le tematiche legate all’interpretazione dei dati GNSS-R e alla modellazione CAD delle strutture del satellite.

Per la promozione dei risultati è stata realizzata una pagina internet sul sito d’Ateneo ed è stato realizzato un poster che viene affisso agli eventi di promozione della ricerca .

Sono state realizzate 3 tesi i laurea (2 triennali e 1 magistrale) sulle attività di ricerca relative al progetto, nonché la partecipazione al convegno: IEEE GNSS+R 2019 Benevento, Italy, 20-22 May, 2019.