La storia della missione SRTM: la serie SIR della NASA
e le esperienze italiane e tedesche delle missioni radar nello spazio
come precursori dell'attuale missione

Il programma radar della NASA/JPL cominciò con il Sea Surveillance Satellite (SEASAT), il primo radar per produrre immagini dallo spazio, nel 1978. Il SEASAT era un radar a singola frequenza (banda L, l = 24 cm), singola polarizzazione, angolo di vista fisso (20°) e fu lanciato con un’orbita inclinata di 108° e un altitudine di 800 Km. Lo scopo della missione erano studi oceanografici ma il radar risultò utile anche per la geologia. La missione terminò dopo 100 giorni (a causa di un malfunzionamento del sistema di alimentazione, ma si riuscì ad ottenere comunque un gran numero di immagini. Furono mappati circa 10⁸ Km² di superficie terrestre.

Le successive 4 missioni radar per la mappatura della Terra furono il SIR-A a bordo del STS-2 (11/1981), il SIR-B a bordo del STS-41G (10/1984) e l’SRL-1 e 2 (una combinazione del SIR-C e dell’X-SAR) a bordo rispettivamente del STS-59 e del STS-68 (4/1994 e 10/1994).

Il SIR-A era un radar in banda L con un angolo di vista di 50°. Tutti i dati del SIR-A furono otticamente registrati e correlati. Il SIR-A produsse immagini di canali di drenaggio sepolti nel zona Sud dell’Egitto, di regioni coperte da formazioni nuvolose e di fenomeni oceanici dinamici. Furono prodotte immagini di circa 10⁷ Km² con una "impronta a terra" di 50 Km e una risoluzione di 40 m.

Il SIR-B aggiunse la possibilità di un angolo di vista variabile e un registratore di immagini digitali al sistema radar in singola polarizzazione in banda L. Le immagini venivano registrate e inviate a terra attraverso il Tracking and Data Relay Satellite System (TDRSS) a 46 Mb/s in banda Ku. A causa dei problemi del sistema in banda Ku la larghezza dell’impronta a terra dell’antenna variava da 10 a 50 Km. Il SIR-B produsse le prime coppie di immagini radar necessarie per creare mappe topografiche tridimensionali. L’angolo di incidenza variabile fu usato per identificare le segnature radar di diversi tipi di terreno e di vegetazione.

Il SIR-C introdusse la possibilità di acquisire simultaneamente immagini digitali a due diverse lunghezze d’onda (banda C e banda L). L’onda elettromagnetica trasmessa, polarizzata sia verticalmente che orizzontalmente, veniva poi ricevuta su due canali diversi, in modo tale che il SIR-C forniva l’ampiezza dell’eco radar per 4 diverse combinazioni della polarizzazione: HH, HV, VH e VV. Inoltre si ottenevano anche i dati relativi alla differenza di fase tra i segnali HH, HV, VH e VV. Questo permise il calcolo della matrice di scattering completa per tutti i punti appartenenti alla zona osservata.

Il programma tedesco per la produzione di immagini radar iniziò con il Microwave Remote Sensing Experiment (MRSE) volato a bordo della prima missione Spacelab del 1983. Il programma continuò con lo sviluppo dell’X-SAR che segnò l’inizio della cooperazione con l’Italia.

La combinazione dei sistemi SIR-C/X-SAR, anche nota come SRL, permise l’acquisizione di immagini a tre diverse lunghezze d’onda: banda L e banda C in quadrupla polarizzazione e banda X in singola polarizzazione (VV). Siccome nell’eco radar sono determinanti gli oggetti con dimensioni comparabili con la lunghezza d’onda operativa, la possibilità di usare diverse frequenze permise di ottenere informazioni, su larga scala della superficie terrestre, non ottenibili con i primi esperimenti a singola frequenza. Il SIR-C/X-SAR aveva inoltre l’angolo di vista variabile e l’angolo di incidenza compreso tra 20° e 65°. La tipica dimensione per una immagine prodotta con il SIR-C era di 50 ´ 100 Km con risoluzione compresa tra 10 e 25 m in entrambe le direzioni.

Oltre ai modi di acquisizione di immagini dei voli SRL richiesti per fini scientifici, furono previsti nel progetto del SIR-C anche un numero di modi sperimentali per lo sviluppo tecnologico. Uno di questi era lo SCANSAR, una tecnica di acquisizione di immagini attraverso un’impronta a terra molto larga ottenuta variando elettronicamente l’orientazione del fascio nella direzione perpendicolare alla direzione di volo (cross-track).

Usando la modalità SCANSAR il SIR-C fu capace di mappare una striscia di superficie terrestre larga circa 250 Km contemporaneamente in banda C e in banda L. Questo ha reso possibile la progettazione della missione SRTM.

Uno dei risultati dei voli SRL fu la dimostrazione della realizzabilità dell’interferometria a doppio passaggio, una tecnica per misurare l’altezza della zona osservata (o piccoli cambiamenti nella quota di tale zona). In Fig.1 viene illustrato come vengono combinati i segnali derivanti dall’uso di tale tecnica. La misura fondamentale prodotta da qualunque SAR è la distanza tra l’antenna del radar e un punto sulla superficie terrestre (per esempio rappresentata nella figura con S₁). S₁’ rappresenta invece la distanza tra lo stesso punto e l’antenna misurata ad un diverso passaggio. Dato che le misure hanno una precisione dell’ordine della frazione di lunghezza d’onda, la differenza tra S₁ e S₁’, con il sistema SIR-C o X-SAR, risulta dell’ordine della frazione di un centimetro. Naturalmente, questa differenza di fase è pesata dalla quota di ciascun punto illuminato. Data la posizione del satellite, la differenza di fase nel caso di terreno perfettamente liscio può essere calcolata matematicamente e una volta sottratto questo contributo (contributo di "terra piatta") quello che si ottiene è direttamente proporzionale all’altezza del profilo della superficie.

Geometria di un sistema interferometrico a doppio passaggio

Durante gli ultimi tre giorni della missione SRL-2, si riuscì a ripetere quasi esattamente le traiettorie orbitali e questo permise di minimizzare la baseline interferometrica. Distanze tra due passaggi maggiori di 1 Km portano infatti a dati non sufficientemente correlati per ottenere un’immagine interferometrica, mentre in realtà si ottennero, per tutte e tre le bande di frequenza del SIR-C/X-SAR, distanze inferiori al centinaio di metri e quindi fu possibile produrre mappe topografiche di elevata qualità.

Nella missione SRTM, invece della tecnica interferometrica a doppio passaggio, verrà usato un traliccio di 60 metri per realizzare una baseline interferometrica fissa. Tale tecnica utilizza 2 antenne separate, di cui una trasmittente ed entrambe riceventi, che osservano la superficie terrestre simultaneamente in modo tale che è possibile ottenere i dati interferometrici relativi alla striscia illuminata in un unico passaggio. L’antenna trasmittente sarà posizionata all’interno della stiva dello Space Shuttle così come era nelle missioni SRL, mentre l’antenna secondaria sarà montata alla fine del traliccio. Questa tecnica ha il vantaggio di eliminare la decorrelazione temporale causata da cambiamenti della scena tra due diversi passaggi, di lasciare invariata la distanza tra le antenne e di determinare con buona precisione il puntamento dell’antenna