NEMO-HD, il Microsatellite per il monitoraggio e l’osservazione ad alta definizione della Terra, consente di fare frequenti ed economiche rilevazioni in remoto, utili in ecologia, agricoltura, silvicoltura, mappatura della copertura terrestre, urbanistica e marittima, nonché per il monitoraggio dei cambiamenti climatici, dei disastri naturali e dell’uso delle risorse naturali.
Il Progetto
SPACE-SI, il Centro di Eccellenza Sloveno per le Scienze e Tecnologie Spaziali, in collaborazione con UTIAS/SFL, l’Istituto di Studi Aerospaziali dell’Università di Toronto/Space Flight Laboratory, ha sviluppato NEMO-HD, un Microsatellite da 72 kg (60x60x30 centimetri) per il monitoraggio e l’osservazione della Terra. Il Microsatellite progettato per lo streaming video e l’imaging in tempo reale, incorpora i componenti di due delle principali aziende italiane del settore Ottico, Optec S.p.A. e Tecnottica Consonni S.r.l.
Questo Microsatellite di prossima generazione, dotato di un Sistema Ottico Made in Italy, è in grado di risolvere una Distanza di Campionamento a Terra (GSD) di soli 2,8 m.
Il GSD, nell’Osservazione della Terra, è il parametro di riferimento più utilizzato, dai fornitori di strumenti ottici per l’osservazione terrestre, per valutare le prestazione della risoluzione spaziale.
Il GSD è una scala di valore in grado di misurare le dimensioni, in metri lineari, di un oggetto o di un’area sulla superficie terrestre a partire da un’immagine scattata dallo spazio. Ciò significa che maggiore è il valore del GSD, meno dettagli sono visibili in un’immagine; ad esempio, un GSD di 15 m significa che un pixel nell’immagine rappresenta linearmente 15 m a terra.
Più il satellite è lontano dalla Terra e maggiore è la dimensione del pixel; per compensare il maggiore GSD, dovuto all’altitudine di NEMO-HD, equivalente a 600 km, è stato necessario migliorare la sua ottica e aumentarne la lunghezza focale. Il risultato è una Distanza di Campionamento a Terra di soli 2,8 m, il che significa la capacità di discriminare tra oggetti distanti 2,8 m o più.
Con NEMO-HD in orbita, SPACE-SI ha realizzato un sistema di rilevamento remoto molto innovativo ed economico; secondo l’azienda Slovena, i dati di immagini e video acquisiti dal Microsatellite saranno utilizzati per monitorare l’agricoltura, la silvicoltura, lo sviluppo urbano e il trasporto marittimo.
I Componenti di Nemo
Il Microsatellite, per la sua missione di monitoraggio e osservazione, è dotato di due strumenti:
- il principale è in grado di acquisire immagini in quattro bande spettrali a una Distanza di Campionamento a Terra di 2,8 m, e copre una larghezza di campo di 10 km;
- il secondo produce immagini con una Distanza di Campionamento a Terra di 40 m e un campo visivo molto più ampio.
Oltre all’acquisizione di immagini statiche, sia il principale che il secondo strumento catturano video ad alta definizione a 25 fotogrammi al secondo, per acquisire video a colori in HD (1920 x 1080 pixel) a due risoluzioni: alta risoluzione a 2,8 m di GSD e bassa risoluzione a 75 m di GSD.
Il modulo può essere utilizzato in modalità di imaging in tempo reale, consentendo a un operatore a terra, destinato al controllo della missione, di visualizzare il flusso video durante la cattura. Se viene individuato un evento o una caratteristica di interesse, può essere inviato un comando al satellite per acquisire un’immagine fissa dell’area.
NEMO-HD rappresenta una svolta nelle missioni di Microsatelliti compatti di prossima generazione e aumenta le aspettative di ciò che un piccolo Microsatellite potrebbe fare nell’osservazione della Terra.
La Sfida
- NEMO-HD deve acquisire immagini fisse in quattro bande spettrali (450-520 nm, 520-600 nm, 630-690 nm e 760-900 nm), con un rapporto segnale-rumore (SNR) minimo pari a 75, supponendo una riflettività del target del 30%; e il Sistema Ottico deve avere una Funzione di Trasferimento di Modulazione (MTF) minima pari a 0,10.
- Il Sistema Ottico richiede 11 Elementi Ottici e un allineamento perfetto di tutti i sensori, con una precisione di 1/5 di pixel (le cui dimensioni sono di 1,67×1,67 micron), al fine di essere apocromatico e ridurre l’aberrazione cromatica laterale.
- Il sistema deve funzionare perfettamente nelle condizioni estreme dello Spazio.
“NEMO-HD è stato un progetto molto sfidante, sia dal punto di vista progettuale che da quello dell’assemblaggio. Optec è stata in grado di raggiungere le prestazioni richieste investendo in soluzioni innovative, come una compensazione attiva della messa a fuoco, e affidandosi a partner il cui know-how ci ha aiutato. – Ha dichiarato Matteo Marmonti, Ricerca e Sviluppo Ottica di Optec S.p.A. – Tecnottica, ad esempio, è stata fondamentale per raggiungere le caratteristiche richieste per le lenti, cosa più importante, nell’allineare e incollare ciascuna lente nel suo alloggiamento con una precisione di meno di 10” e 10 micron in decentramento. Il successo del progetto è il successo dell’intero team di Optica Group.”
La Soluzione
Optec, produttore italiano specializzato in Ottica, è stato selezionato per progettare e produrre i Sistemi Ottici di NEMO per Space-SI, inclusa la telecamera responsabile dell’acquisizione di immagini fisse in quattro bande spettrali.
Per fabbricare alcuni sotto componenti, Optec ha selezionato, tra gli altri, Tecnottica Consonni, un partner di lunga data nello sviluppo di Componenti e Sistemi Ottici appositamente progettati per il mercato Aerospaziale.
L’assemblaggio della telecamera è stato ottimizzato per gestire un’immagine con una diagonale di 12 mm e per consentire alla telecamera di suddividere la luce nelle seguenti bande:
- HRS-PAN: 390 – 900 nm, con filtro di regolazione GG435
- HR-HD: 390 – 900 nm, senza filtro di regolazione
- Blu: 420 – 520 nm, con filtro di regolazione GG435 + FF02-470/100-25 (di Semrock)
- Verde: 535 – 607 nm, con filtro di regolazione GG395 + FF01-571/72-25 (di Semrock)
- Rosso: 634 – 686 nm, con filtro di regolazione GG395 + FF01-660/52-25 (di Semrock)
- NIR: 750 – 960 nm, con filtro di regolazione GG395 + FF01-855/210-25 (di Semrock)
Progettazione e Ingegnerizzazione
Optec ha progettato un Dispositivo Ottico per raddoppiare efficacemente il piano focale e consentire a ciascun sensore di essere posizionato il più vicino possibile l’uno all’altro, consentendo la separazione fisica richiesta dalle loro interfacce elettriche. Le prime due uscite sono a banda larga e condividono lo stesso piano focale, estraggono il 30% della luce in ingresso e dirigono l’immagine risultante su due sensori sul piano focale. Il restante 70% della luce in ingresso viene indirizzato verso un prisma a quattro canali, che divide la luce in quattro bande spettrali.
Optec ha progettato e posizionato di fronte alla telecamera un Telescopio Dioptric Diffraction Limited, con una lunghezza focale di 360 mm, un F/N di 2,3 e un meccanismo di messa a fuoco attiva, per mantenere prestazioni a diffrazione limitata da 20 km all’infinito e nell’intero intervallo termico da -20°C a +60°C.
Componenti Ottici
Tecnottica ha realizzato filtri di assorbimento per rimuovere parte del segnale dalla luce ultravioletta e dalla luce SWIR, e tutte le lenti incorporate nel telescopio. Nel dettaglio Tecnottica ha realizzato:
- Una lente sferica piano-concava (PCC) con un diametro di Ø 128 mm
- Tre lenti sferiche biconvesse asimmetriche (ABL) con un diametro di Ø 84 mm
- Una lente sferica biconvessa asimmetrica (ABL) con un diametro di Ø 109 mm
- Una lente sferica biconcava (BCC) con un diametro di Ø 109 mm
- Due lenti sferiche biconcave (BCC) con un diametro di Ø 72 mm
- Un doppietto acromatico con un diametro di Ø 84 mm
Tecnottica è, infatti, specializzata nella produzione di Componenti Ottici con la massima qualità e le tolleranze più rigorose, ottimizzate specificamente per le esigenze dell’industria Aerospaziale.
L’esperienza dell’azienda, la Progettazione di Sistemi Ottici interna, gli avanzati sistemi di produzione e un’attrezzatura di test all’avanguardia sono ideali per:
- produrre Componenti Ottici utilizzati per divergere un fascio incidente o per aumentare la lunghezza focale di un sistema precedentemente noto;
- Realizzare una vasta gamma di Lenti Sferiche con diametri compresi tra Ø 3 mm e Ø 310 mm, qualsiasi raggio di curvatura e forma;
- Lucidare superfici con alti livelli di qualità;
- Ottenere una Regolarità Superficiali fino a λ/20, testata e certificata,
- Garantire il Centraggio Ottico con valori inferiori a 30”.
I due Costruttori Italiani, insieme, hanno realizzato il Primo Sistema Diffraction Limit NON Catadiottrico con una Telecamera a 6 Canali Multispectral Rear View.
Sistemi per l’Ambiente Spazio
La risoluzione di un Sistema di Imaging Ottico, come il telescopio e la fotocamera, può essere limitata da fattori come imperfezioni nelle lenti o disallineamento, per questo motivo l’intero Sistema Ottico necessitava dell’esperienza di Tecnottica nel Centraggio e Lucidatura Ottica. Un altissimo grado di precisione di centratura ha permesso il posizionamento di ciascun componente, senza causarne il danneggiamento, e producendo Ottiche dalle massime prestazioni, fondamentali per garantire una precisione di 1/5 di pixel.
Per mantenere le prestazioni del Sistema nell’intero range termico per Applicazioni Spazio, tutti i Componenti Ottici sono stati trattati con uno specifico Coating, la cui realizzazione è stata gestita direttamente da Tecnottica.
“Essere stati coinvolti da Optec nella realizzazione delle Ottiche per questo progetto ha sicuramente contribuito ad alzare il livello di qualità del nostro lavoro. – ha affermato Angelo Fasoli, CSO di Tecnottica S.r.l. – Le specifiche tecniche richieste nei progetti preliminari, all’inizio, sembravano fuori dalla nostra portata, ma attraverso un attento studio ci siamo resi conto che sarebbe stato effettivamente possibile.
Consci delle nostre potenzialità, abbiamo accettato l’incarico e i risultati ci hanno dato ragione. Il nostro reparto di Ottica di Precisione, in sinergia con il team interno dell’Officina Meccanica, è stato in grado di sviluppare strumenti e processi dedicati che ci hanno permesso di soddisfare tutti i requisiti tecnici. Ciò che inizialmente sembrava irraggiungibile ci ha permesso di sviluppare nuove competenze che ora metteremo a disposizione per altri progetti simili”.
Per ottenere i risultati attesi e produrre il primo Meccanismo Active Focus incorporato in un satellite spaziale, sono stati necessari più di 1 anno di test, una minuziosa ricerca dei materiali e dei lubrificanti adeguati, specificamente progettati e prodotti per l’ambiente Spaziale, una meticolosa produzione, uno scrupoloso assemblaggio e un controllo qualità impeccabile.
La Missione Spaziale
Il Microsatellite NEMO-HD è stato lanciato il 2 settembre 2020 a Kourou, Guyana francese, come carico del veicolo VEGA SSMS (Small Spacecraft Mission Service), un razzo vettore europeo di generazione avanzata della Arianspace, sviluppato dall’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) e l’Agenzia Spaziale Europea (ESA).
Il razzo VEGA ha lanciato con successo 46 nanosatelliti e 7 microsatelliti, incluso NEMO-HD, che si sono separati dal razzo 40 minuti dopo il decollo e hanno stabilito con successo il primo contatto con la Terra la stessa mattina.
Space-SI ha rilasciato la prima immagine multispettrale di osservazione della Terra catturata dal suo microsatellite NEMO-HD, solo 16 giorni dopo il lancio.
“NEMO-HD ha introdotto un nuovo concetto di osservazione della Terra combinando immagini multispettrali e video dallo Spazio. NEMO-HD può essere controllato in modo interattivo, in tempo reale, se necessario, quando transita nel raggio di una stazione Terrestre” – ha affermato il Prof. Tomaž Rodič, CEO di SPACE-SI.
“Con NEMO-HD in orbita, abbiamo realizzato un sistema di telerilevamento molto innovativo ed economico che combina l’agilità di un Microsatellite con il nostro sistema di Stazione Terrestre mobile, STREAM, e l’avanzato sistema di elaborazione dei dati, STORM”.
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