Eine einzigartige Antennenkombination könnte die Fernerkundung revolutionieren

Größere Antennen sind besser, zumindest laut Forschern, die sich mit georäumlicher Überwachung beschäftigen. Das liegt daran, dass eine höhere Auflösung bei Überwachungsanwendungen größere Öffnungen erfordert. Man kann sich also die Aufregung in der Fernerkundungs-Community vorstellen, als ein Forscher von Leidos, einem Regierungsberatungsunternehmen, eine Idee entwickelte, die die effektive Öffnungsgröße eines Fernüberwachungssystems per Funkfrequenz drastisch erhöhte, indem er einfach eine rotierende Antenne an ein flaches „dünnes“ Array anschloss.

Genau das hat Dr. John Kendra getan und dafür erhielt er nicht nur zwei Stipendien des NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) zur Weiterentwicklung der Technologie, sondern auch einen Preis für einen Aufsatz bei einer technischen Konferenz zur Fernerkundung. Mit anderen Worten: Bei richtiger Umsetzung könnte die Rotary-Motion Extended Array Synthesis (R-MXAS)-Technologie die Fernerkundung revolutionieren.

Um zu verstehen, warum das so ist, muss man sich zunächst mit dem zugrunde liegenden Konzept des Synthetic Aperture Radar (SAR) vertraut machen. In einem SAR-System werden mehrere Bilder eines einzelnen Gebiets aufgenommen, während sich ein Sensor an diesem Gebiet vorbeibewegt. Diese Bilder werden dann mithilfe eines speziell entwickelten Algorithmus zu einer einzigen Bildkomposition kombiniert. Diese Bilder können durch Wolken hindurch gesehen werden und werden häufig in der Fernerkundung verwendet, insbesondere in Bodenüberwachungsanwendungen, beispielsweise zur Überwachung des Meeresspiegels.

R-MXAS ist eine Implementierung eines Synthetic Aperture Imaging Radiometers (SAIR), das den Bewegungsaspekt eines typischen SAR-Systems kombiniert und Daten von mindestens drei separaten Antennen zusammenfügt. Eine Antenne ist eine große, zweidimensionale Ebene, die eigentlich eine eindimensionale „spärliche“ Antenne ist. Zwei Antennen sind an beiden Enden einer Leine befestigt, die sich im rechten Winkel zur flachen Ebene dreht.

Daten von diesen Antennen werden erfasst und in einem speziellen Signalverarbeitungsalgorithmus kombiniert. Einige dieser Daten würden in einem Fernerkundungssatelliten, andere wiederum auf der Erde verarbeitet. Diese Signalverarbeitungsalgorithmen erzeugen effektiv eine Aperturfläche, die viel größer ist als die Summe der physikalischen Komponenten, aus denen sie besteht. Und genau das ist es, wonach Fernerkundungsbegeisterte suchen.

Eine besondere Anwendung dieser Technologie ist die Überwachung der Bodenfeuchtigkeit. Derzeit läuft eine von der ESA durchgeführte Mission namens Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS). Sie leistet hervorragende Arbeit bei der Überwachung des gesamten Bodenfeuchtigkeitsgehalts mit einer Auflösung von etwa 35 km pro „Pixel“. Allerdings geschieht dies aus einer niedrigen Erdumlaufbahn, was bedeutet, dass diese Schätzungen nur alle paar Tage aktualisiert werden können.

Diese Aktualisierungsrate ist für die Enddatenkunden frustrierend, die sich schnellere Zykluszeiten und eine höhere Auflösung wünschen, um die Reaktionen gezielter auf die Bedingungen vor Ort zuzuschneiden.

R-MXAS kann bei beiden Wünschen helfen. Erstens kann es laut Berechnungen von Dr. Kendra dieselbe Auflösung von 35 km aus einer geostationären Umlaufbahn abbilden, wodurch es eine ganze Hemisphäre gleichzeitig und kontinuierlich überwachen kann. Obwohl dieser spezielle Abschlussbericht nicht im Detail darauf eingeht, wie R-MXAS die Auflösung auf 5–10 km statt 35 km verbessern könnte, wird die Idee zumindest theoretisch angesprochen, um zu zeigen, dass dieselbe Mehrantennenkonfiguration als hochverstärkendes Phased-Array verwendet werden könnte, um die Auflösung noch weiter zu erhöhen.

Angesichts der Neuartigkeit der Idee und der begeisterten Aufnahme durch andere Forscher in der Fernerkundungsgemeinschaft war R-MXAS eines der glücklichen Projekte, die 2019 für einen NIAC-Phase-II-Zuschuss ausgewählt wurden, unmittelbar nach dem ursprünglichen Phase-I-Zuschuss im Jahr 2018.

Eine kurze Suche zeigt, dass das neueste Dokument aus dem Jahr 2021 stammt und keine weiteren angenommenen Pläne oder Missionen vorliegen, die das Konzept umsetzen, aber es scheint, dass es irgendwo ein Projekt gibt, das dies tut. Angesichts der Vielzahl von Anwendungsfällen für eine Technologie wie R-MXAS bleibt abzuwarten, was dieser Anwendungsfall sein könnte.