Missió en petit satèl·lit d’observació de la Terra, MEDIMAP, geoinformació i utilitat per afrontar els reptes de Catalunya

Amb motiu de l’elevada variabilitat espacial i temporal del territori i l’impacte creixent sobre les activitats econòmiques, socials i productives, Catalunya necessita eines, sobre bases estables i repetitives, més efectives en el reconeixement, l’avaluació, la gestió i la planificació del territori, a partir de la geoinformació que aquestes generin. 

Els petits satèl·lits representen en l’actualitat una tecnologia madura i de qualitat des de l’espai per observar el territori sobre unes bases repetitives i estables. La incorporació a l’espai, i amb èxit, de tecnologies integrades en béns de consum, a baix cost, baix consum de potència i dimensions reduïdes, ha obert un escenari de viabilitat i accés a l’espai, de manera tècnica, econòmica i estratègica, impensable fa pocs anys.

MEDIMAP (MEDI MEDITERRANI MAPA) és el nom donat a la primera missió d’observació de la Terra, definida i analitzada des de Catalunya, per respondre als reptes plantejats.

La missió MEDIMAP, articulada dins el Programa Català d’Observació de la Terra (PCOT) com a marc vertebrador, ha de servir de catalitzador per introduir la geoinformació en les eines de gestió, planificació, avaluació i anàlisi, a través d’un anàlisis de missió que aquí de forma resumida presentem

Anàlisi orbital

Com a missió satèl·lit d’observació de la Terra, els requeriments principals han estat els associats a les condicions d’il·luminació solar del territori i el temps de revisita sobre el territori.

Aquests dos grans requeriments comportaran un nivell de resposta en temps i qualitat de les dades, productes i serveis que MEDIMAP ha d’oferir a la societat i, per tant, s’ha definit l’òrbita següent com a òptima:

• Òrbita baixa situada entre 600 i 700 km (LEO).
• Òrbita heliosíncrona per garantir il·luminacions constants.
• Òrbita amb temps de revisita que permetin planificacions d’accés sobre el territori setmanals.
• Òrbita amb temps de pas del node ascendent a les 10.30 h. 

L’anàlisi orbital efectuat per l’equip de treball ha seleccionat finalment 3 òrbites que compleixen els requeriments anteriorment seleccionats, i per les quals s’han calculat els temps de revisita, accés i resposta.

El satèl·lit en les òrbites seleccionades tindria la capacitat de poder orientar –se lateralment a la direcció de vol fins a 20º. El temps de resposta (dies) que surt en la darrera fila de la taula anterior està avaluada amb aquesta capacitat. En la figura següent es mostra la simulació de les diferents passades ascendents del satèl·lit sobre Catalunya. 

Figura 1: En el cicle de repetició de 7 o 10 dies, tenim 3 passades sobre Catalunya. Les línies puntejades representen per cada pas (color) fins on podem tenir accés sobre Catalunya per cada pas, amb la possibilitat d’orientar el satèl·lit i, per tant, temps d’accés inferior als 3 dies.

Anàlisi de plataforma i comunicacions

Aquest representa una anàlisi fonamental en termes de les capacitats embarcades en el satèl·lit pel que fa a la capacitat de recepció i transmissió de dades de control, comandament i les imatges capturades pels sensors.

Un bon dimensionament i coneixements d’aquestes capacitats (capacitat emmagatzematge, bandes de transmissió de dades i comandament, velocitat de transmissió…) condicionarà tant el segment Terra (arquitectura i nombre d’estacions necessàries) com el volum de dades generades pel satèl·lit i per tant en quins termes d’explotació d’informació podem estar parlant.

A aquest efecte s’ha construït un model per tal de simular les capacitats, prioritats i dimensions del segment plataforma i comunicacions, per tal d’avaluar la capacitat en explotació de dades i dimensions del segment Terra en diversos escenaris tecnològics o possibilitats.

En les simulacions del model s’han considerat paràmetres com ara: bandes de freqüència de transmissió del senyal de control i de transmissió de dades, velocitats de transmissió, nombre de bandes i mida del píxel, capacitat d’emmagatzematge de la plataforma, latitud de la ubicació de l’estació Terra, prioritats sobre diferents territoris (Catalunya, Espanya, resta del món).

PCOT OPTICAL MULTISPECTRAL INSTRUMENT

Taula 2: Simulació model explotació del segment terra en funció de les preatacions de la plataforma satèl.lit i comunicacions

En la primera figura, com a resultat de les simulacions, observem que atenent a les capacitats (escenari tecnològic viable actualment en velocitats de transmissió de dades: 20, 40 o 80 Mbps) amb un disseny de satèl·lit amb 6 bandes espectrals i 5 metres de resolució, amb una sola estació situada a Catalunya no podríem arribar a baixar de l’espai les dades capturades per la plataforma d’observació de la Terra.

És viable explotar un satèl·lit amb una estació a Catalunya, que reculli informació sobre el territori de manera prioritària, amb un mínim de 6 bandes espectrals i prop de 7,5 metres de resolució espacial.

Anàlisi de càrrega útil

Parlar d’un satèl·lit és parlar d’una plataforma (en anglès BUS) equipada amb diferents subsistemes (elèctric, sistemes d’orientació…). Un dels subsistemes és el denominat càrrega útil o sensor (en anglès Payload).

En un satèl·lit de comunicacions el sensor és per exemple una antena de comunicacions, en un satèl·lit d’observació de la Terra, la càrrega útil és una o diverses càmeres que prenen imatges.

Una missió vol una anàlisi de les característiques òptiques i geomètriques del sensor o càrrega útil d’observació de la Terra.

L’objectiu principal de la missió plantejada és proporcionar dades, productes i serveis d’observació de la Terra (geoinformació) de qualitat, i això implica analitzar i definir uns requeriments de qualitat pel que fa a la càrrega útil.

L’anàlisi i el disseny de missió ha definit els requeriments següents en termes de:

Condicions radiomètriques: De manera conjunta amb els proveïdors, s’ha definit un escenari de viabilitat tecnològica i qualitat requerida, pel que fa als valors de senyal soroll i MTF per cada una de les bandes de l’espectre en què s’ha requerit que treballi la càrrega útil. 

Condicions d’apuntat: De manera conjunta amb els proveïdors, s’ha definit un escenari de viabilitat tecnològica i qualitat requerida, pel que fa als valors d’apuntat i estabilitat en l’apuntament i l’actitud de la plataforma, per tal de garantir-ne la qualitat de les imatges i fer més eficient el procés posterior de valor afegit:

Degradació per orientació de la plataforma: En aquest punt hem analitzat conjuntament amb l’anàlisi orbital i de cobertures fins a quin angle d’orientació podem treballar per tal d’aconseguir una bona relació entre temps d’accés sobre el territori amb les menys possibles distorsions geomètriques en la imatge (degradació de la mida de píxel).

En l’escenari tecnològic actual dels petits satèl·lits és viable definir uns requeriments pel que fa al subsistema de càrrega útil que responguin a l’anàlisi i el disseny de missió que necessita Catalunya per respondre a les seves necessitats temàtiques en observació de la Terra.

Segment Terra

El segment Terra hauria de respondre a les tasques tant de control del satèl·lit com de recepció de les dades de missió (observació de la Terra) i posterior explotació i servei als usuaris, el punt de partida de treball en aquest estudi de viabilitat ha estat:

Dos escenaris han estat adoptats en l’anàlisi i el disseny de missió: una estació única, situada a Catalunya, o la combinació d’aquesta amb una altra estació a latituds més altes.

Atenent a l’impacte econòmic, tant pel que fa als costos no recurrents, com als recurrents, el disseny de missió s’ha orientat a dimensionar la capacitat d’explotació i amb quina arquitectura podem assolir una millor relació de prestacions i retorns al teixit i sector català i millor capacitat d’explotació en dades, productes i serveis.

La modelització de les necessitats i requeriments sota aquesta relació ha tingut en consideració els paràmetres i condicionants següents:

• L’angle mínim (masking) per una correcta recepció/transmissió entre el segment Terra i la plataforma és de 10º.
• El temps mínim de contacte amb la plataforma és de 2,5’.
• Els passos de visibilitat sobre les estacions Terra, en els quals el satèl·lit està prenent imatges, no són aptes per a les comunicacions amb la plataforma. 

Amb aquestes condicions, s’han calculat els temps de visibilitat i el nombre de passades amb visibilitat (contacte) del satèl·lit per poder rebre o transmetre comunicacions a una latitud de 41º.

El concepte i l’arquitectura de missió han estat definits, per proveir la societat de la geoinformació, des de dades i productes fins a serveis associats de valor afegit.

S’oferiran dades i productes en diferents graus o nivells de processament: des d’imatges font en diferents formes de captació o projecció fins a productes i serveis elaborats d’alt valor afegit com ara, entre altres coses, la detecció o evolució de canvis. Conscients que el proveïment de productes, dades i serveis de qualitat és el principal objectiu, s’han establert les consideracions següents:

• Dotar-se d’un segment Terra de la missió responsable del processament i l’arxiu de les dades que no vénen del satèl·lit.
•  Dotar-se d’una plataforma i un segment de control que tingui una atenció especial per a les variables associades amb l’actitud i el control d’òrbita de l’instrument per garantir la qualitat de la geoinformació.
• Centralització de les peticions i demandes de dades, serveis, productes així com planejament de les tasques per tal de garantir-ne l’optimització del recurs i de l’activitat operacional del satèl·lit. 

El segment Terra s’ha dimensionat, amb dues antenes, una en banda S (control del satèl·lit) i una altra per a la recepció de les dades (banda X). Tot i que tecnològicament és possible agrupar-ho en una mateixa antena, la gestió del segment Terra quedaria més ben optimitzada amb antenes diferents tot i poder finalment compartir un front-end.

La viabilitat d’una missió vol una anàlisi del segment Terra que respongui a les necessitats del territori i al lideratge de Catalunya en la generació i explotació de dades, productes i serveis.

Taula 6: resum de les característiques i els requeriments tècnics que farien viable una missió en petit satèl·lit per respondre a les necessitats i els requeriments de la societat catalana.

Utilitats i aplicacions

Mesurar la utilitat d’una missió satèl·lit consisteix a establir el balanç entre les prestacions que ens ofereix depenent del disseny, el cost, el risc i la planificació establerta. En altres paraules, la bondat entre els requeriments de missió i els objectius plantejats.

La utilitat d’una missió, per tant, ha de néixer com a raó fonamental de conjugar la tecnologia i les seves possibilitats amb el coneixement i les necessitats dels usuaris potencials en dades, productes i serveis d’observació de la Terra, traduïdes finalment en aplicacions útils.

La tecnologia que ens permet l’observació de la Terra en el rang de l’espectre electromagnètic de les freqüències que van del visible (banda 1, banda 2 i banda 3) fins a l’infraroig proper (banda 4 i banda 5) són molt conegudes, madures i idònies per a la missió MEDIMAP:

•  Hi ha un bon coneixement i, per tant, eines i tècniques per extreure informació del territori d’un alt valor afegit.
•  Hi ha un ampli ventall en el temps i l’espai de dades i sensors d’observació de la Terra en aquestes freqüències, per la qual cosa la nostra missió podrà entrar en sinergia amb altres fonts d’informació.
•  Les característiques del terreny que podem estudiar en aquest segment de freqüències s’ajusta a l’objectiu principal de la missió amb la millor de les relacions, prestacions, riscos i costos.
•  Dóna continuïtat al segment de coneixement i utilització de l’observació de la Terra dins l’administració de la Generalitat de Catalunya.

BANDA 1 (blau 440-510 nm)

Estudis batimètrics de zones costaneres: sòlids en suspensió, eutrofització de l’aigua, terbolesa… són paràmetres relacionats amb el nivell de reflectivitat en aquesta banda. També és útil en la discriminació entre neu i núvols, ja que la primera té una reflectivitat més alta i més homogènia que els núvols.

BANDA 2 (verd 520-590 nm)

També aquesta banda continua sent útil en l’estimació dels paràmetres anteriors, com també ho és en la discriminació de tipus i estat de la vegetació ja que és la zona de l’espectre visible menys absorbida pels pigments vegetals (clorofil·les, xantofil·les, carotens).

BANDA 3 (vermell 630-685 nm)

És útil en l’avaluació de l’estat de la vegetació (situacions d’estrès per malaltia, plagues) i discriminació d’espècies (inventaris forestals, agricultura). Tradicionalment s’ha utilitzat en els índexs de vegetació amb el Near Infra Red (NIR).

BANDA 4 (límit vermell 690-730 nm)

Útil en l’avaluació de l’estat de la vegetació, el contingut de clorofil·la, la detecció de la contaminació i les malalties de la vegetació.

BANDA 5 (infraroig proper 760-900 nm)

Útil en l’avaluació de la humitat del terra, discriminació de la vegetació, estat de la vegetació i avaluació, entre altres coses, d’evapotranspiració, risc incendis i índex de vegetació i desertització.

La viabilitat de la missió des del punt de vista de la seva utilitat i prenent com a eix de missió el que hem definit, inclou generar dades, productes i serveis que responguin a les necessitats de la societat catalana per avaluar, gestionar i confeccionar les polítiques que millor s’adaptin socialment, econòmicament i mediambientalment als canvis sobre el territori.

La figura següent mostra un resum segmentat i il·lustrat sobre els àmbits potencials d’aplicació de la missió tal com està definida:

Figura 2: MEDIMAP obtindrà dades del territori per a un ampli segment d’aplicacions que diferenciem en aplicacions bàsiques i aplicacions temàtiques.

Les característiques de MEDIMAP pel que fa a la seva resolució espacial (5-10 m), nombre de bandes i rang de l’espectre en què treballarà (5/6 bandes en el visible i l’infraroig proper) així com l’amplitud de les imatges (entre 50 i 70 km), la fan una eina imprescindible i complementària a altres eines d’observació de la Terra, per una necessària sinergia i un coneixement del territori.

Conclusions

Els potencials en aplicacions, utilització, generació d’activitat econòmica i d’excel·lència en recerca i formació, cal adaptar-los a la realitat i necessitat catalana.

Amb el PCOT com a programa i MEDIMAP com a missió, Catalunya s’incorpora en un escenari de complementarietat, col·laboració i generació d’excel·lència i qualitat en transferència de tecnologia, coneixement i activitat econòmica en el sector estratègic de l’observació de la Terra i la geoinformació.

Taula 7: resum dels punts claus en l’estratègia PCOT/MEDIMAP

El PCOT com a programa i MEDIMAP com a catalitzador representen per a Catalunya l’aproximació més viable per tal d’establir un escenari de col·laboració, complementarietat i generació d’excel·lència i qualitat en transferència de tecnologia, coneixement i activitat econòmica, en general en el sector estratègic de l’observació de la Terra i la geoinformació.

El PCOT representa una oportunitat estratègica per reforçar el lideratge i el pas de Catalunya a una societat de la informació i serveis com a bé públic i econòmic, per introduir definitivament la geoinformació en les eines de gestió, planificació, avaluació i anàlisi, a l’administració autonòmica, tenint la societat catalana com a principal beneficiària.