Search

The Sardinia Radio Telescope, which was inaugurated in 2013, is getting ready to participate in the Search for ExtraTerrestrial Intelligence (SETI) observations. This involves, in collaboration with the SETI collaboration and the ``Breakthrough Listen initiative", the onsite installation of the SERENDIP VI setup for SETI observations. In parallel, a scientific team at the Cagliari Astronomical Observatory is becoming acquainted with SETI search algorithms: both standard algorithms using the Fast Fourier Transform; and more versatile algorithms using the Kahrunen-Loève Transform (KLT) as well as Wavelets. The team is also investigating the possibility to pursue, with the SERENDIP VI setup, the simultaneous search for Extraterrestrial Intelligence, pulsars and Fast Radio Bursts.

Since 2013, several staff members of the Cagliari Astronomical Observatory have been involved with SETI activities, both from a technological and a scientific perspective. One major asset related to this research area is the presence, in the territory, of one of the most modern single-dish antennas: the Sardinia Radio Telescope (SRT). In this paper, we outline all aspects of our initiatives in the framework of the Search for ExtraTerrestrial Intelligence. We describe the development of SRT instrumentation for the purpose of receiving data that could potentially contain signs of life, as well as the directions that we are investigating for studying and analyzing these data, including in an international context.

In radio astronomy Field Programmable Gate Array (FPGA) technology is largely used for the implementation of digital signal processing techniques applied to antenna arrays. This is mainly due to the good trade-off among computing resources, power consumption and cost offered by FPGA chip compared to other technologies like ASIC, GPU and CPU. In the last years several digital backend systems based on such devices have been developed at the Medicina radio astronomical station (INAF-IRA, Bologna, Italy). Instruments like FX correlator, direct imager, beamformer, multi-beam system have been successfully designed and realized on CASPER (Collaboration for Astronomy Signal Processing and Electronics Research, https://casper.berkeley.edu) processing boards. In this paper we present the gained experience in this kind of applications.

In this work the use of a multi-beaming radar system is analyzed and a possible setup of a closed loop system (i.e. from measurement and data acquisition to orbit determination) is described. The Orbit Determination (OD) algorithms are specialized for a bistatic radar configuration where the Medicina Northern Cross radio-telescope (owned by the University of Bologna-Italy) is considered as a receiver. The Northern Cross is composed of two perpendicular arms: the E/W arm is 564 m long and consists in a single cylindrical antenna with a width of 29.4 m, whereas the N/S arm is made of 64 parallel antennas with a length of 22.6 m and a width of 7.5 m. The collecting area reaches 27,400 sqm and, by considering a complete upgrade of the radar with the installation of new receivers on the focal lines, up to 22,880 possible theoretical independent beams could cover the field-of-view of 55.47 (E/W) deg x 1.8 (N/S) deg. By looking at the sequence of beams that are illuminated, it is thus possible to estimate, with an higher level of detail with respect to the single-beam system, the ground track of the transiting object. Given this peculiar system, tailored orbit determination algorithms have to be developed. The orbit determination algorithm receives as input the data processed by the acquisition system, that digitally assembles measured radar echoes, using Fast Fourier Transform, to provide the signal for each beam. These inputs are the measured Doppler shift, time delay, the illumination time and measured power intensity associated to each beam. By combining these information with the knowledge of beam distribution and pointing it is possible to refine the orbital parameters of known objects or to perform a preliminary OD. A few LEO objects are considered to generate simulated data that are then used to feed the developed OD algorithms. In this way the performances of the algorithms can be tested and the effectiveness of this innovative configuration for space debris measurements, that couples a bistatic radar and a multi-beaming receiver, can be assessed.

Questo documento riassume le attività svolte nell'ambito del quarto anno del Progetto ASI Detriti Spaziali, dalla IV alla V Riunione di Avanzamento. Oltre a ciò, sono descritte anche le attività del Primo Atto Aggiuntivo al contratto, svolte nello stesso periodo. Va sottolineato che il presente documento coincide con il rapporto finale delle attività contrattuali, escluse quelle relative ai WP130 e WP120b, per il completamento dei quali è stata ottenuta una proroga di sei mesi rispetto alla scadenza del 13 dicembre 2010. Per quanto concerne le misure ottiche (WP110), di responsabilità di UNIRM1, sono proseguite le attività di osservazioni ottiche riepilogate in una tabella e si è migliorata l'automazione dell'osservatorio SpaDE. E' stata analizzata la possibilità di effettuare misure spettrometriche con l'osservatorio di Toppo di Castelgrande. Problemi tecnici hanno impedito la consegna del nuovo telescopio da 50 cm da parte del fornitore che ha quindi messo a disposizione del GAUSS diversi sistemi ottici, tra cui un telescopio da 41 cm di diametro. Riguardo il Contributo di altri osservatori (WP111), di responsabilità di UNIRM1, vengono presentati i risultati delle osservazioni congiunte con gli osservatori amatoriali di Massa d'albe e Anguillara. Vengono riportati i risultati finali relativi all'analisi di immagini di campagne osservative congiunte con CNES e JAXA. Inoltre viene illustrata la rete di osservatori italiani e internazionali (in particolare Toppo di Castelgrande e Morehead (MSU)) coordinati dal GAUSS. Circa il Monitoraggio in-situ (WP130), di responsabilità di UNIRM, sono iniziate le prove di sensibilità dei trasduttori piezoelettrici e la revisione dell'elettronica. Le prove di impatto iperveloce per la calibrazione saranno effettuate congiuntamente a CISAS. Per quanto riguarda le misure radar (WP120a), di responsabilità IRA-OATO dell'INAF,. vengono riassunte le attività svolte tra la quarta e la quinta riunione di avanzamento, che portano al completamento di tutte le azioni previste nell'Allegato Tecnico. Viene presentato lo studio elettromagnetico dell'antenna VLBI di Medicina effettuato allo scopo di valutare la possibilità di installare un sistema ricevente in piggy-back. Tale studio viene interamente allegato al presente documento (vedi allegato 1). Per quanto concerne le campagne di misura, nel periodo in esame è stata effettuata la campagna osservativa con il sistema radar multistatico (Evpatoria-Medicina-Ventspils) e una campagna di test per localizzare delle sorgenti di interferenza. Vengono presentati i risultati di entrambe le sessioni osservative. Infine per quanto riguarda il software di analisi in real-time dei dati radar, è stato ultimata la realizzazione dello spettrometro installato su schede basate su FPGA. Si riportano quindi la descrizione e i risultati dei test di funzionamento di tale spettrometro. Per quanto riguarda le misure radar (WP120b), di responsabilità ISAC-CNR, ha avuto inizio a fine ottobre lo spostamento della stazione nel nuovo campo di Villa Sant'Elia in località Campi Salentina (Le), operazione che verrà conclusa inderogabilmente a fine novembre 2010. Sono proseguite le osservazioni mensili dei detriti al rientro in atmosfera. Per ogni giorno dei periodi mensili di osservazione fino ad ottobre 2010 sono stati calcolati i rapporti percentuali dei flussi dei debris rispetto ai flussi totali, i flussi medi dei debris su ogni periodo, e infine le variazioni giornaliere dei flussi totali e dei debris sull'arco temporale delle osservazioni. Dall'analisi dei dati storici relativi agli eventi del test ASAT Cinese del febbraio 2007, del test ASAT USA del febbraio 2008 e della collisione Iridium 333/Cosmos 2251 e inoltre dal successivo confronto con i dati del radar BL, si è osservato un generale incremento delle percentuali dei debris nei mesi del 2010 rispetto ai corrispondenti mesi del 2009. Questo è stato messo in relazione al notevole numero dei frammenti aggiuntivi prodotti dai citati eventi catastrofici presenti in orbite LEO. Per febbraio-aprile 2009 e per aprile 2010 sono stati analizzate le variazioni orarie dei debris in avanzato rientro, al fine di verificare possibili anomalie nei flussi orari. Si sta sviluppando il software per l'accquisizione dei dati da 5 canali che rappresentano le uscite dei ricevitori dell'interferometro. Per quanto riguarda la modellazione (WP200) e la mitigazione (WP400), di responsabilità ISTI/CNR, le ultime attività previste dal contratto originario (non essendo ISTI incluso nell'Atto Aggiuntivo) sono state completate in occasione dello IADC-28 e presentate alla RA4. Comunque, ISTI ha assicurato il proprio supporto alle attività IADC e contrattuali, fino alla chiusura naturale del presente contratto, per evitare ricadute negative sui task IADC in corso. Successivamente alla RA4 è continuata la caratterizzazione delle nubi di detriti collisionali di Fengyun 1C, Cosmos 2251 e Iridium 33. Sono inoltre ripartite le attività connesse con l'AI 27.1, per la valutazione della necessità di un Active Debris Removal in LEO, e si è svolta la programmata campagna test di rientro 2010-1, con esiti molto positivi. Per quanto riguarda specificamente le collaborazioni e la mitigazione, sono stati riveduti e commentati diversi importanti documenti IADC, è stato analizzato il contenuto di un database di informazioni spaziali su richiesta dell'ASI ed è proseguita l'attività nell'ambito degli AI 22.2, 26.2 e 27.2, relativamente all'aggiornamento e al supporto delle IADC Mitigation Guidelines e alla valutazione del rischio rappresentato dai rientri. Infine, per quanto concerne le problematiche di protezione (WP310 e 330), di responsabilità CISAS, vengono presentati i risultati degli ultimi esperimenti di impatto effettuati a supporto dell'AI 26-1 IADC per la caratterizzazione di ejecta da satellite. In particolare, è riportato l'esito della valutazione di diversi sensori per la caratterizzazione degli ejecta, oltre che lo studio del fenomeno di produzione di frammenti secondari in seguito ad impatti obliqui. I dati sperimentali raccolti hanno anche permesso di formulare delle procedure semi-empiriche per la previsione della distribuzione di massa e velocità delle particelle entro le nuvole di ejecta, producendo dunque un'informazione utile per il calcolo del flusso detritico secondario originato in seguito ad impatti primari su superfici satellitari. Per quanto concerne le attività numeriche, sono state affinate le tecniche di simulazione della generazione di ejecta mediante hydrocode, ottenendo buoni risultati a spese però di tempi di calcolo estremamente significativi. Infine, è stato predisposto un software specifico per il Risk Assessment, che consente di utilizzare MASTER e ORDEM come modelli di ambiente e implementa varie equazioni di danno per il calcolo della resistenza balistica del sistema. Lo stesso software consente di stimare il flusso detritico secondario originato a seguito della produzione di ejecta da impatto iperveloce su superfici di veicoli spaziali.

Fourth progress report of the second part of the ASI Space Debris Project

In 2007 three space debris detection tests were performed in the framework of a monitoring program carried out by the Istituto Nazionale di Astrofisica - INAF - in collaboration with the Italian Space Agency - ASI. The observations were made by using the bistatic radar technique. The INAF 32 m radiotelescope located at Medicina (Bologna, Italy) was used as receiver whereas the Ukrainian 70 m parabolic antenna located at Evpatoria was utilized as transmitter. The aim of the experiment was to test the sensitivity of the Medicina-Evpatoria radar system in space debris detection, and to validate and optimize the hardware setup. Measurements were mainly carried out on inactive satellites and catalogued space debris. However the search for new fragments in LEO was also performed during the campaign. This paper reports on results of these observations.

Questo documento rappresenta un sunto delle attività svolte nell'ambito del terzo anno del Progetto ASI Detriti Spaziali, dalla Seconda alla Terza Riunione di Avanzamento. Oltre a ciò, sono descritte anche le attività del Primo Atto Aggiuntivo al contratto, svolte nello stesso periodo. Per quanto concerne le misure ottiche (WP110), di responsabilità di UNIRM1, l'attività dell'osservatorio SPADE è stata dedicata all'osservazione di satelliti in orbita bassa. Tali satelliti sono stati scelti sulla base delle informazioni fornite dal servizio "SOCRATES" del sito Celestrak che individua tra i satelliti catalogati quelli coinvolti in "close approach". Tra le coppie identificate dal sito, sono state osservate quelle con la maggiore probabilità di collisione. E' stato poi necessario realizzare un software in MATLAB capace di passare dai TLE alle effemeridi dei satelliti da tracciare in maniera di realizzare un inseguimento di satelliti veloci. Nell'ambito delle cooperazioni internazionali finalizzate al miglioramento del sistema di osservazione dei detriti spaziali comprendente l'osservatorio SPADE si è dato luogo ad una collaborazione tra GAUSS/ASI, CNES e JAXA nel campo dell'image processing. Per quanto riguarda il sensore di impatti è stato realizzato l'hardware di acquisizione dati ed il software di interfaccia, deve iniziare la fase di scelta del sensore. Per quanto riguarda le misure radar (WP120a), di responsabilità IRA-OATO dell'INAF, viene data una sintesi delle attività svolte nel primo semestre dal KOM. Dopo avere illustrato brevemente la metodologia del piggy-back nei radar bistatici, si descrive in dettaglio l'algoritmo, sviluppato nell'ambito di questo contratto, per calcolare le coordinate di puntamento delle antenne slave nei sistemi piggy-back. La sincronizzazione (nella registrazione dei dati e nelle operazioni di puntamento) è già disponibile sulle antenneappartenenti alla rete VLBI (Very Long Baseline Interferometry). Per quanto concerne le attività di misura, sono state effettuate duecampagne osservative in modalità bistatica utilizzando l'antenna ricevente VLBI di Medicina e la trasmittente RT-70 di Evpatoria. Talicampagne hanno riguardato l'osservazione di detriti noti (prodotti dalla collisione Iridium 33 - Cosmos 2251), la ricerca in beam-parking di oggetti non correlati in orbita LEO e l'osservazione di calibratori radar, che saranno utilizzati nella stima delle RCS. Durante le osservazioni è stato anche testato un nuovo sistema di preview in real-time degli echi, implementato sullo spettrometro SPECTRA-1. Per quanto riguarda le misure radar (WP120b), di responsabilità ISAC-CNR, sono state condotte osservazioni mensili dei detritial rientro in atmosfera, discriminandolli dai meteoroidi in base ai tempi di salita dei corrispondenti radioechi. E' stato applicato unfattore correttivo nel calcolo della velocità del debris tenendo conto dell'effetto dell'ablazione fino a quote di 70-80km dove èmassima la concentrazione dei debris. Si è discussa l'esistenza di una possibile evoluzione temporale (stagionale) dei flussi deidebris connessa alla radiazione solare. Sono stati messi a confronto i flussi cumulativi dei debris e dei meteoroidi in funzione delleloro dimensioni e analizzato il comportamento delle curve teoriche applicate a tali flussi, estrapolate a particelle micrometriche. E'stato effettuato un primo confronto di questi risultati con quelli ottenuti dall'analisi dei crateri da impatto su strutture orbitanti e daaltre misure radar dell'ambiente detritico in orbite LEO. Per quanto riguarda le attività di modellazione (WP200) e mitigazione (WP400), di responsabilità ISTI/CNR, è stata investigatal'evoluzione delle nubi di detriti generate dalla collisione tra i satelliti Cosmos 2251 e Iridium 33, è stato completato l'Internal Task del WG2 per la valutazione dei benefici per l'ambiente LEO di un Active Debris Removal, è stato completato uno studio a supporto dello IADC AI 22.2 "Long term presence in GEO region of GTO objects", è stata garantita la partecipazione attiva alla campagna di rientro IADC-2009-1, sono state esaminate le problematiche del "conjunction assessment" e della "collision avoidance" per la costellazione di satelliti COSMO-SkyMed, è stata presentata la situazione degli oggetti italiani in orbita nel contesto della popolazionedei detriti orbitali e sono state delineate la attività svolte in ambito IADC, COPUOS, ISO e European NoC SD. Infine, per quanto concerne le problematiche di protezione (WP310 e 330), di responsabilità CISAS, viene presentata la selezionedelle tipologie di target e la definizione della relativa Test Matrix per gli ultimi 40 test HVI previsti dal contratto: tali esperimenti rispondono alle responsabilità italiane relative all'AI26-1 IADC "Characterization of ejecta from HVI on spacecraft outer surfaces" e alla necessità di calibrare il sensore in-situ sviluppato nell'ambito del WP130. Vengono anche presentate le attività svolte fino ad oggi per contribuire al medesimo AI, inclusa la definizione di procedure di misura e la valutazione preliminare di sensori primari per lo strumento. Infine, vengono discusse le problematiche riscontrate nell'uso di ESABASE2 per stime di rischio per Cosmo-Skymed, lequali hanno portato alla definizione ed implementazione di una procedura alternativa per il Risk Assessment, che utilizza MASTER2005 come modello di environment ed equazioni di danno realistiche (reperite in letteratura) per la definizione della soglia di limite balistico.

This document presents the activities carried out in the framework of the ASI Project "Space Debris" since the first Progress Meeting.

This report presents the activities carried out during the first year of the Space Debris Project, funded by the Italian Space Agency (ASI).

Questo documento rappresenta un sunto delle attività svolte nell'ambito del Progetto ASI Detriti Spaziali, dal Kick Off Meeting ad oggi. Per quanto concerne le misure ottiche (WP110), viene data una sintesi delle attività svolte dal GAUSS-UNIRM1 nell'ambito del WG1 dello IADC. E' stata finora utilizzata strumentazione pre-esistente in dotazione ad osservatori semiprofessionali (Campo Catino e Collepado) e professionali (Palma di Maiorca) per partecipare alle campagne di osservazione congiunta con gli altri paesi membri e per svolgere campagne proprie (osservazioni congiunte da due siti e corpi in orbita bassa), i cui principali risultati sono descritti nel documento. Inoltre, è in corso la progettazione e realizzazione di un osservatorio interamente dedicato all'osservazione dei detriti spaziali. Per quanto riguarda le misure radar (WP120a), è stato riportato il progetto, svolto dall'IRA-INAF di un nuovo sistema di acquisizione dati che consenta la determinazione di numero, dimensione e velocità radiale dei detriti tramite radar operanti in piggy-back mode. Tale metodo innovativo, che consente di effettuare osservazioni in parallelo ad altre senza perturbarle, consentirebbe di portare il tempo utile di osservazione a più di 300 giorni per anno. Inoltre, per il WP120b, l'ISAC-CNR ha delineato la strategia di monitoraggio di detriti artificiali (debris) in avanzato rientro in atmosfera, tramite il radar Bologna-Lecce-Modra, oggi attivo per l'osservazione sistematica dei detriti naturali (meteoroidi). Viene presentato in via schematica un sistema interferometrico che dà la possibilità di localizzare con precisione un corpo ionizzanto nell'interazione con l'atmosfera. L'esperimento presuppone il completamento dell'attuale sistema bistatico che consente di discriminare un debris da un meteoroide, valutando le diverse velocità dallo studio dei profili degli echi di tracce ipodense che presentano figure di diffrazione. La tecnica della diiffrazione con le classiche oscillazioni di Fresnel è utile per poter risalire alla velocità del corpo in atmosfera. Per quanto riguarda le attività di modellazione (WP200) e mitigazione (WP400), di responsabilità ISTI, queste sono state necessariamente coordinate con quelle IADC, dando seguito alle azioni scaturite dopo il plenary meeting di Tsukuba e lo Steering Group meeting di Valencia. In particolare, sono state concluse tutte le attività relative agli AI 19.1 (Space Tethers) e 22.1 (GEO Disposal Orbit eccentricity), ed è stato prodotto gran parte del contributo richiesto per l'AI 23.1 (Reentry Predictions). Infine, per quanto concerne le problematiche di protezione (WP310 e 320), di responsabilità CISAS, sono descritte le attività relative alla chiusura delle azioni WG3 IT22-2, 23-2 e 24-2 (effetti della temperatura sul danno da impatto iperveloce) e all'avanzamento dell'azione WG3 IT 22-6 (metodi alternativi per la determinazione e la stima dell'incertezza per le equazioni di danno). Viene definita la Test Matrix relativa agli esperimenti di impatto iperveloci previsti nell'ambito del contratto, a supporto della IT 22-6 e per la costituzione di un database del comportamento di materiali di interesse per programmi futuri. Si riportano anche le strategie individuate per il potenziamento della facility per impatti iperveloci, tramite ottimizzazione dei parametri funzionali, potenziamento dei principali sottosistemi dell'impianto e analisi preliminare di una nuova tipologia di acceleratori multistadio.

Within the definition of the scientific program of the Sardinian Radio telescope (under construction), our team has proposed to use this facility as radar system for the study of near-Earth objects (NEOs) and space debris.