Es dient der Beobachtung der Erde und soll Fallstricke überwinden, die in der Vergangenheit ähnliche Instrumente geplagt haben.
Das neue Radiometer, mit dem die Intensität der elektromagnetischen Strahlung, insbesondere der Mikrowellen, gemessen werden soll, ist buchstäblich seit Jahren mit einem der modernsten Signalverarbeitungssysteme ausgestattet, die jemals für eine geowissenschaftliche Satellitenmission entwickelt wurden. Die Entwickler des Goddard Space Flight Centers der NASA in Greenbelt, Maryland, haben das Instrument an das Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena, Kalifornien, geliefert, wo die Techniker es zusammen mit einem entwickelten Radarsystem mit synthetischer Apertur in das Bodenfeuchtigkeits-Aktiv-Passiv-Raumschiff der Agentur integrieren werden von JPL.
Stolz auf ihr brandneues erdbeobachtendes Mikrowellenradiometer im Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena, Kalifornien. Bildnachweis: NASA JPL / Corinne Gatto Bildnachweis: NASA
Mit den beiden Instrumenten wird die NASA-Mission die Bodenfeuchtigkeitsniveaus - Daten, die für Klimamodelle von Vorteil sind - global kartieren, wenn sie einige Monate nach ihrem Start Ende 2014 ihren Betrieb aufnimmt. Insbesondere werden die Daten Wissenschaftlern die Möglichkeit geben, globale Böden zu erkennen Der Feuchtigkeitsgehalt ist ein wichtiges Maß für die Überwachung und Vorhersage von Dürreperioden und füllt Lücken im Verständnis der Wissenschaftler über den Wasserkreislauf. Es könnte auch dazu beitragen, ein ungelöstes Klima-Rätsel zu lösen: die Position der Orte im Erdsystem, an denen Kohlendioxid gespeichert ist.
Jahre im Werden
Der Bau des neuen Radiometers dauerte Jahre und erforderte die Entwicklung fortschrittlicher Algorithmen und eines Bordcomputersystems, mit dem eine Datenflut von schätzungsweise 192 Millionen Proben pro Sekunde zermahlen werden kann. Trotz der Herausforderungen glauben die Teammitglieder, ein hochmodernes Instrument geschaffen zu haben, das die Probleme bei der Datenerfassung, die bei vielen anderen Erdbeobachtungsinstrumenten auftreten, voraussichtlich überwinden wird.
Das vom Instrument empfangene Signal hat die meisten nicht waldbedingten Vegetationen und andere Barrieren durchdrungen, um das natürlich emittierte Mikrowellensignal zu erfassen, das auf das Vorhandensein von Feuchtigkeit hinweist. Je feuchter der Boden, desto kälter wird es in den Daten aussehen.
Die Messungen des Instruments beinhalten spezielle Funktionen, mit denen Wissenschaftler das unerwünschte „Rauschen“ identifizieren und entfernen können, das durch Hochfrequenzstörungen bei vielen erdgestützten Diensten verursacht wird, die in der Nähe des Mikrowellenfrequenzbandes des Instruments betrieben werden. Das gleiche Rauschen hat einige der Messungen verunreinigt, die vom Bodenfeuchte- und Ozeanversalzungssatelliten der Europäischen Weltraumorganisation und bis zu einem gewissen Grad vom Wassermannsatelliten der NASA erfasst wurden. Diese Raumschiffe stellten fest, dass der Lärm über Land besonders stark war.
"Dies ist das erste System der Welt, das all dies ermöglicht", sagte der Instrumentenwissenschaftler Jeff Piepmeier, der das Konzept bei der NASA Goddard entwickelte.
Das Rauschen der Erde hören
Wie alle Radiometer „hört“ das neue Instrument auf die Geräusche, die von einem sehr lauten Planeten ausgehen.
Wie ein Radio ist es speziell auf ein bestimmtes Frequenzband - 1,4 Gigahertz oder "L-Band" - abgestimmt, das die Internationale Fernmeldeunion in Genf (Schweiz) für Anwendungen in den Bereichen Radioastronomie und passive Erdfernerkundung reserviert hat. Mit anderen Worten, Benutzer können nur die statische Aufladung abhören, aus der sie die Feuchtigkeitsdaten ableiten können.
Trotz des Verbots ist die Band alles andere als makellos. "Radiometer hören das gewünschte Signal im Spektralbereich sowie unerwünschte Signale, die im selben Bereich enden", sagte Damon Bradley, ein Ingenieur für digitale Signalverarbeitung von NASA Goddard, der mit Piepmeier und anderen zusammengearbeitet hat, um das erweiterte Signal des Radiometers zu erstellen Verarbeitungsmöglichkeiten. Wie Betreiber von SMOS kurz nach dem Start des Raumschiffs im Jahr 2009 schnell feststellten, ist das Signal mit Sicherheit mit unerwünschtem Rauschen behaftet.
Signalüberläufe benachbarter Frequenznutzer - insbesondere Flugsicherungsradare, Mobiltelefone und andere Kommunikationsgeräte - stören das Mikrowellensignal, das Benutzer erfassen möchten. Ebenso störend sind Störungen durch Radarsysteme sowie Fernseh- und Radiosender, die gegen die Vorschriften der International Telecommunication Union verstoßen.
Infolgedessen enthalten die von SMOS-Daten generierten globalen Karten zur Bodenfeuchtigkeit manchmal leere, datenlose Patches. "Hochfrequenzstörungen können zeitweise, zufällig und unvorhersehbar sein", sagte Bradley. "Man kann nicht viel dagegen tun."
Aus diesem Grund wandten sich Bradley und andere Mitarbeiter von Piepmeier der Technologie zu.
Neue Algorithmen implementiert
Dies ist ein Künstlerkonzept der NASA-Mission "Soil Moisture Active Passive". Bildnachweis: NASA / JPL
2005 arbeiteten Bradley, Piepmeier und andere Ingenieure von NASA Goddard mit Forschern der University of Michigan und der Ohio State University zusammen, die bereits Algorithmen oder schrittweise Berechnungsverfahren zur Minderung von Funkstörungen entwickelt hatten. Gemeinsam entwickelten und testeten sie ein hoch entwickeltes digitales elektronisches Radiometer, mit dessen Hilfe Wissenschaftler unerwünschte Funksignale finden und entfernen können, wodurch die Datengenauigkeit erheblich verbessert und Bereiche reduziert werden, in denen hohe Interferenzpegel die Messungen behindern würden.
Herkömmliche Radiometer bewältigen Schwankungen der Mikrowellenemissionen, indem sie die Signalleistung über eine große Bandbreite messen und über einen langen Zeitraum integrieren, um einen Durchschnitt zu erhalten. Das SMAP-Radiometer nimmt jedoch diese Zeitintervalle und schneidet sie in viel kürzere Zeitintervalle auf, wodurch es einfacher wird, die von Menschen verursachten unerwünschten RFI-Signale zu erkennen. "Wenn Sie das Signal rechtzeitig abhacken, können Sie das Böse wegwerfen und den Wissenschaftlern das Gute geben", sagte Piepmeier.
Ein weiterer Schritt in der Entwicklung des Radiometers war die Entwicklung eines leistungsstärkeren Instrumentenprozessors.Da der derzeitige moderne Flugprozessor RAD750 nicht in der Lage ist, den erwarteten Datenstrom des Radiometers zu verarbeiten, musste das Team ein spezielles Verarbeitungssystem mit leistungsstärkeren, strahlungsgehärteten, vor Ort programmierbaren Gate-Arrays entwickeln. das sind spezialisierte anwendungsspezifische integrierte Schaltungen. Diese Schaltkreise sind in der Lage, der rauen, strahlungsreichen Umgebung im Weltraum standzuhalten.
Das Team programmierte diese Schaltungen dann, um die von der University of Michigan entwickelten Algorithmen als Hardware für die Flugsignalverarbeitung zu implementieren. Das Team ersetzte außerdem den Detektor durch einen Analog-Digital-Wandler und stärkte das Gesamtsystem durch die Entwicklung einer Software zur Signalverarbeitung auf dem Boden, um Störungen zu beseitigen.
"SMAP hat das fortschrittlichste auf digitaler Verarbeitung basierende Radiometer, das jemals gebaut wurde", sagte Piepmeier. „Die Entwicklung der Algorithmen, der Bodensoftware und der Hardware dauerte Jahre. Was wir produziert haben, ist das beste L-Band-Radiometer für die Geowissenschaften. “
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