CNR ISTITUTO DI RADIOASTRONOMIA INAF SKA, il radiotelescopio di prossima generazione: contributo...

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SKA, il radiotelescopio diSKA, il radiotelescopio diprossima generazione:prossima generazione:

contributo Italianocontributo Italiano..

Stelio Montebugnoli Medicina SKA Engineering Group

Gennaio 2004

CNR ISTITUTO DI RADIOASTRONOMIA INAF

Punti principali:

• SKA: l’ architettura, i concetti, lo scenario.SKA: l’ architettura, i concetti, lo scenario.• SKA: la sfida tecnologica .SKA: la sfida tecnologica .• Cosa si fa per SKA nel nostro paese.Cosa si fa per SKA nel nostro paese.• Ritorni tecnologici.Ritorni tecnologici.• Conclusioni.Conclusioni.


SKA:

SKA (Square Kilometer Array): un unico grande strumento per tutta la comunità scientifica internazionale che permetterà di dare risposte ai quesiti della radioastronomia non ottenibili con gli attuali radiotelescopi….

…un unico radiotelescopio, di grandi dimensioni, costruito in un luogo ancora da definire e fruibile contemporaneamente per finalità diverse, via rete, da 100 utilizzatori….


SKA: l’architettura

ARRAY STATION

Combiner

ProcessingSoftware

Time dependent behaviour

t

Correlator

Processing Software

Image ofastronomical object

…possibilità per molti utenti di effettuare contemporaneamente osservazioni con diverse modalità …

Array di antenne (con area da un minimo di 30.000 m2) distribuito su migliaia di Kmper un totale di 106 m2

MainStation


SKA: I concetti - FOV Multipli (multiutenza)- A= 106 m2


Confronto del FOV dello stesso elemento di antenna a diverse lunghezze d’onda: SKA 73 cm

SKA 21 cm

SKA 6 cmALMA


Organizzazioni di cinque continenti si sono impegnate a Organizzazioni di cinque continenti si sono impegnate a partecipare allo sviluppo dei partecipare allo sviluppo dei concetticoncetti e della e della tecnologia tecnologia necessari alla progettazione di SKA….necessari alla progettazione di SKA….

- EUROPAEUROPA (Francia)(Francia),, Germania, Inghilterra, Italia, Olanda, Germania, Inghilterra, Italia, Olanda, Polonia, Polonia, (Russia)(Russia), , (Spagna)(Spagna), Svezia., Svezia.

- - ASIA ASIA Cina, India, Cina, India,

- - AUSTRALIAAUSTRALIA

- AMERICA AMERICA Canada, USA Canada, USA

SKA: lo scenario

- AFRICA AFRICA (Sud Africa)(Sud Africa)


SKA: la sfida tecnologica

I I dimostratori:dimostratori:I dimostratori giocheranno un ruolo fondamentale nella I dimostratori giocheranno un ruolo fondamentale nella determinazione del tipo di antenna da usare, nella verifica deideterminazione del tipo di antenna da usare, nella verifica deiconcetti e crescita della tecnologia.concetti e crescita della tecnologia.

La tecnologia di oggi NON è ancora pronta per la costruzione di SKA, per cui occorre affrontare la progettazione di banchi di prova che ne rendano possibile la crescita….

Principali caratteristiche di SKA:Principali caratteristiche di SKA:

AAgg= 10= 1066 m m22

N. di beam simultanei = 100 N. di beam simultanei = 100 Banda= 0.1 Banda= 0.1 25 GHz 25 GHz FOV= 1FOV= 1oo @ 1.4 GHz @ 1.4 GHz (Potere risolutore 0.1” @ 1.4 GHz)(Potere risolutore 0.1” @ 1.4 GHz) Dinamica conv. A/D = 50 Dinamica conv. A/D = 50 85 dB ( 85 dB (~ ~ 8/14 Bit)8/14 Bit) Dati da trasportare=10 Dati da trasportare=10 200 Tbit/sec) 200 Tbit/sec)


SKA: Quale antenna? Diversi sono, ad oggi, i tipi di antenne proposti per lo SKA finale:

“Arecibo” style reflectorChina

Large Adaptive Reflector (LAR) Canada

Allen Telescope Arrayfinanziato (12 M$)SETI Institute, US

Planar ArrayNetherlands

Luneburg LensesAustralia

Cylindrical reflectorsAustralia


Tra le varie soluzioni proposte per le antenne di SKA, suscita un grande interesse la soluzione (Australia) cilindrico parabolica per le sue doti di costo contenuto e di estensione del FOV. Per la sua natura, la Croce del Nord rappresenta un eccezionale dimostratore a cilindri parabolici a costo ragionevole e soprattutto complementare a quelli sviluppati dai partner europei.


SKA: Cosa si fa nel nostro paese?Dimostratori nazionali-Best-1-2-3

C- BEST-3: Il più grande dimostratore del mondo (3%) SKA-A2 ottenuto dalla re-ingegnerizzazione di tutta la Croce del Nord. - Ag= 30.000 m2 - pronto metà / fine del 2006 (in funzione dei finanziamenti) - Costo 73 €/m2 (Area geometrica)

A- BEST-1: Primo dimostratore con 4 ricevitori montati su un singolo cilindro del ramo N/S. - Ag=176 m2 - pronto aprile/Maggio 2004, - Finanziato.

B- BEST-2: Un secondo dimostratore equipaggiato con 8 cilindri N/S - Ag= 1410 m2 - pronto fine 2004 / inizio 2005, - Finanziato.

BEST-1BEST-2


La Croce del Nord: un ottimo dimostratore

La Croce del Nord è già equipaggiata con oltre 5600 dipoli, facilmente collegabili ad un certo numero di ricevitori di nuova generazione a basso rumore, basso costo ed alta dinamica (già realizzati).

BEST-3 (256+96)


CdN come dimostratore SKA: alcuni aspetti importanti:

• Uso intelligente degli strumenti a disposizione per produrre dimostratori SKA a costo limitato con ritorno immediato in termini di scienza / tecnologia e, allo stesso tempo, upgrade tecnologico degli stessi strumenti.

• Contributo allo sforzo internazionale SKA in maniera efficiente:– Esplorazione di aree non ben investigate da altri (tecnologia, verifica dei

concetti, algoritmi di adaptive beamforming e di reiezione delle interferenze su un dimostratore di grandi dimensioni).

– Traccia degli attuali “confini” nel dominio del progetto. – Costo contenuto del dimostratore.

• Produzione di un dimostratore di grandi dimensioni entro il 2006.• Programmi di attivita’ di divulgazione:

– Ad alto livello sia nazionale che internazionale (congressi, workshop, meeting).

– Universita’, Scuole Superiori (Tesi, Tirocinio ecc.). – Pubblico (conferenze).


Ritorni tecnologici

Diagnostica medica

Comunicazioni


Ritorni tecnologiciTelefonia mobile di prossima generazione (beamforming & adaptive beamforming a basso costo)

Applicazioni degli algoritmi di mitigazione delle interferenze radio, studiati perSKA, ai servizi primari(es. controllo di volo).


Ritorni Tecnologici

Controllo di volo di un certo numero di missioni spaziali nello stesso tempocon:

- bassa potenza richiesta al Tx di bordo. - assenza di antenne direttive a bordo.

(forte diminuzione dei costi di lancio e costruzione…..)


Fondi per il Dimostratore nazionale SKA:

84%

7%2%

5%2%

CNR-IRA

IEIIT-CNR

UNIV-BO

OBS-CA

UNIV-FI

2.20 M€ IRA CNR (INAF) (Bo)0.20 M€ IEIIT CNR (To)0.15 M€ Oss. di Cagliari INAF0.05 M€ Fac. di Ingegneria (Bo)0.05 M€ Fac. di Ingegneria (Fi)

2.65 M€

PIANO DELLA RIPARTIZIONE DEI FONDI ALL’INTERNO DEL CONSORZIO ITALIANOPIANO DELLA RIPARTIZIONE DEI FONDI ALL’INTERNO DEL CONSORZIO ITALIANO

Si sta preparando una richiesta alla UE per circa 2.6 M€ [FP-6 Design Study (call uscita a Nov 03)]

…. questi fondi dovranno essere integrati con fondi nazionali.


Conclusioni.• SKA è un progetto ambizioso che deve affrontare grandi sfide tecnologiche e

disegno di algoritmi efficienti per la reiezione delle interferenze.

• La vastità del concetto è unica nel suo genere ed in grado di collegare l’astronomia, la radio-scienza e l’industria.

• L’Italia sta per rivestire un ruolo molto importante per cui necessita dimostrare una capacità “ingegneristica” nello sviluppo di un grande dimostratore come BEST-3 ottenuto re-ingegnerizzando, a costi contenuti, la Croce del Nord.

• Avendo già a disposizione un array come la Croce (5632 dipoli), il costo per m2 del dimostratore è di circa 100 volte inferiore a quello dei partner europei, con un’area di raccolta 30 volte piu estesa!

• Il potenziale ritorno in scienza e tecnologia che SKA potrebbe rendere ai paesi partecipanti al consorzio, non ha precedenti.

• Partecipare al consorzio SKA non significa solo aderire ad un consorzio internazionale, ma significa partecipare attivamente alla realizzazione del radiotelescopio con cui si affronterà la radioastronomia del futuro.

• Parte dei fondi necessari alla realizzazione dei dimostratori SKA europei saranno probabilmente messi a disposizione dalla UE (FP-6 DS), ma occorreranno anche fondi nazionali.

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