Fakirseng-antenne til fremtidens rummissioner til jordobservationer

Jordobservationer fra satellitter

Satellitter og rummissioner har mange både kommercielle og videnskabelige formål, og blandt de mest kendte er formentlig brugen af satellitter til at levere forudsigelser om vejret forskellige steder på jorden i form af vejrudsigter.

Måling af sådanne meteorologiske data er blot ét eksempel på såkaldte jordobservationer, som mere generelt beskæftiger sig med at levere observationer og data af jordens fysiske, kemiske og biologiske tilstand og forhold. Disse bruges, udover til vejrudsigter, bl.a. til at få indsigt i jordens atmosfære, klimaforandringer, udviklingen i vegetation på jorden, tilstanden i jordens have samt udviklingen i mængden af is på jorden.

Nogle eksempler på jordobservationsmissioner er Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) instrumentet fra ESA samt Soil Moisture Active Passive (SMAP) instrumentet fra NASA.

Læs også: ESA melder ny is-satellit klar til opsendelse

Læs også: Satellit skal måle jordens fugtighed

Mikrobølgeradiometre som fjernsensorer

Til sådanne missioner benyttes på satellitterne såkaldte mikrobølgeradiometre, der måler på den termiske udstråling fra f.eks. verdenshavene. Radiometeret fungerer med andre ord som fjernsensor af jorden, idet satellitten typisk befinder sig i flere hundrede kilometers højde over jorden.

Radiometermålinger udtrykkes ofte ved den såkaldte brightness temperatur, og for den givne anvendelse er det centralt at kunne måle denne størrelse med den nødvendige præcision. Instrumentet skal altså meget kort fortalt måle temperaturen forskellige steder på jordoverfladen.

Hertil benyttes instrumentets antenne, som udsender et beam, der på jordoverfladen er enten cirkulært eller elliptisk. Efterhånden som satellitten bevæger sig henover jorden, scanner dette antennebeam med og "opsamler" temperaturfordelingen.

En illustration af dette for NASAs SMAP-instrument ses i billedet herunder.

Nu er det imidlertid sådan, at en praktisk antenne ikke blot udsender i et cirkulært område, men i princippet udsender et signal af en vis styrke i næsten alle retninger. Og jo større beamet er, og jo mere signal der sendes uden for det cirkulære område, jo større er risikoen for, at instrumentet ikke måler temperaturen præcist nok, fordi den termiske udstråling fra andre dele af jordoverfladen dermed uønsket bidrager og støjer.

Parabolantenne-barnelærdom

For meget direktive antenner som de store parabolantenner, der typisk benyttes på satellitter, sendes langt det meste signal inden for en smal kegle svarende til det omtalte cirkulære område, hvilket er den såkaldte hovedbeam. Men der udsendes også en mindre del i de såkaldte sidesløjfer.

Det er parabolantenne-barnelærdom, at størrelsen af reflektoren i store træk bestemmer, hvor stor hovedbeamet bliver, mens at belysningen af reflektoren afgør niveauet for sidesløjferne.

For en givet ønsket opløsning af målingerne på jorden (: størrelsen af hovedbeamet) kan man derfor bestemme, hvor stor en parabolantenne man behøver, mens at valg og design af den antenne, der skal belyse reflektoren, bestemmer antennens sidesløjfer og dermed implicit præcisionen af målingerne.

I SMAP-illustrationen fra ovenfor sidder den parabolske reflektor - som i øvrigt er en udfoldelig antenne - øverst på satellitten, fastholdt af en form for guldfarvet arm. Denne reflektor har en diameter på 6 meter, hvilket fastlægger instrumentets opløsning på jorden. Belysningen af reflektoren kommer fra den såkaldte antenne-feed, der er den trekantformede og guldfarvede struktur, der sidder ovenpå satellitkroppen.

ESA-studie til fremtidens missioner

I konteksten af satellitobservationer af verdenshavene har vi i TICRA netop afsluttet et studie, som blev bestilt af ESA med henblik på at udvikle og modne den antenneteknologi, der skal til for at levere bedre og mere præcise målinger i fremtidige missioner.

Sammen med vores projektpartnere fra Chalmers universitetet i Göteborg og DTU Space var vi i sidste uge til Final Review af projektet på European Space Research and Technology Centre (ESTEC), som er ESAs tekniske hovedkvarter i Holland.

Project meeting at ESTEC to work on future @esa missions, to which #TICRA will contribute. #Space #Technology #Research #Engineering pic.twitter.com/eYbytqOhWM— Jakob R. de Lasson (@Jakobrdl) 19. februar 2018

I projektet har vi udviklet en antenneprototype, som vi har vist kan give mere præcise havmålinger, når denne anvendes i et såkaldt conical-scan radiometer. Denne antenne, som ikke anvendes i nogen missioner i dag, udmærker sig specielt ved, at den sikrer, at man til havmålinger kan måle væsentligt tættere på land og havis, end hvad der i dag er muligt.

Fakirseng-antenne

Antennen er feed-antennen for en parabolsk reflektor, så den ville i princippet kunne erstatte den trekantformede feed-antenne i SMAP-instrumentet. Der er ydermere tale om en såkaldt array antenne, der består af 67 mindre antenner, som sidder sammen ovenpå en jordplan.

Vores kolleger Marianna Ivashina og Oleg Iupikov fra Chalmers universitetet har stået for det detaljerede design samt for at fremstille antennen, som kan ses i billederne herunder. Pga. de spidse elementprofiler omtaler en af mine kolleger ofte antennen som en fakirseng.

Jordplanen måler 26.5 cm på den lange led, 20 cm på den kort led, og dens tykkelse er 0.5 cm. Hver af de 67 antenneelementer er knap 3 cm brede og godt 8 cm i højden.

Som et centralt aspekt af antennen kan hvert af de 67 elementer exciteres uafhængigt af de andre, idet der på bagsiden af jordplanen er en såkaldt SMA-connector, hvor der kan tilsluttes et coaxialkabel, for hvert element.

Når der for det enkelte element sendes et signal ind, sætter dette umiddelbart strømme op på den mikrostriplinje, som er et vinklet stykke metal, sluttende i en "vifte", og som sidder på den hvide boks på det enkelte element. Dette giver nye strømme på bladene, som udstråler antennens såkaldte fjernfelt.

Som et eksempel ses i billedet herunder en computersimulering i TICRAs GRASP-software af strømfordelingen på antennen, når der sendes signal ind på ét elements port, mens alle andre elementer er tilpassede.

De stærkeste strømme ses på det centrale element, som umiddelbart exciteres, men der ses også strømme på naboelementer, hvilket er et resultat af den gensidige kobling mellem antenneelementerne.

Antenneprototypen er blevet målt i DTUs ESA-facilitet til antennemålinger, og vi har sammenlignet de målte antennefjernfelter med dem, vi i computersimuleringer har opnået.

Antennen i målerummet ses i billedet til højre herunder, mens at en sammenligning mellem det målte (sort) og beregnede (blå og rød er opnået med hhv. TICRAs GRASP-software og CST-software) fjernfelt for det centrale antenneelement ses til venstre herunder. Målinger og beregninger stemmer ganske godt overens.

Et konferencepaper med detaljer om antennen og sammenligninger af målinger og beregninger præsenteres til EuCAP konferencen i London i april 2018

Fra ny antenne til bedre jordobservationer

Endelig har vi brugt de beregnede karakteristika for fakirseng-antennen til at udregne, hvor præcise radiometermålinger man ville kunne lave, hvis man benytter denne feed-antenne.

Denne beregning består i første omgang af en optimering af den amplitude og fase, som hver af de 67 elementer i antennen skal exciteres med. Når antennen skal bruges i praktiske missioner, skal dette håndteres med en digital beamformer.

Når disse amplituder og faser er fundet, udregner man den samlede antennes fjernfelt, og dette kan endelig omsættes til radiometerkarakteristika, der beskriver, hvor præcist instrumentet kan fjernmåle.

En begrænsning ved det konventionelle antennekoncept er, at der sendes relativt meget energi ud i antennens sidesløjfer, og dermed "opsamler" instrumentet særligt ved måling tæt på land eller havis en del støj, som gør målingen af brightness temperaturen upræcis.

Dette beskrives typisk ved den såkaldte distance to coast (se illustrationen herunder), der kvantificerer, hvor tæt på land eller havis instrumentet kan måle og samtidig måle med en præcision, som er bedre end Delta T (som i vores tilfælde er 0.25 K).

En distance to coast på 50-100 km er ikke unormal, men vi opnår med det nye antennekoncept en distance to coast på mindre end 20 km.

Figur 2 fra "Multibeam Focal Plane Arrays With Digital Beamforming for High Precision Space-Borne Ocean Remote Sensing"

Så resultaterne fra vores ESA-studie viser med andre ord, at dette antennekoncept vil kunne lave markant mere præcise målinger, når det handler om at lave havmålinger tæt ved land eller havis.

Konceptmodning og fremtidige rummissioner til jordobservationer

Antennekonceptet er imidlertid ikke specielt modent endnu, og jeg behøver nok ikke fortælle, at vores i øvrigt smukke og elegante antenneprototype ikke er space qualified hardware.

Men på ønske fra Europa Kommissionen havde ESA i sidste uge ansøgningsfrist til den næste mission inden for det såkaldte Copernicus program til jordobservationer. Heri hedder det bl.a.:

"This mission shall provide improved continuity of sea ice concentration monitoring missions, in particular in terms of spatial resolution (15 km), temporal resolution (sub-daily) and accuracy (in particular near the ice edges)..."

Og som vi har lært ovenfor, er det svært at måle præcist tæt på havis ("ice edges") med de konventionelle antennekoncepter.

Så mon ikke, at ESA i det mindste vil overveje det nye antennekoncept til sin kommende mission? Vi får se.

Note tilføjet den 28/2-18: Som Chris Bagge bemærker i kommentarerne herunder, udsender et radiometer - og dets antenne - ikke, men måler derimod (på den termiske udstråling, som beskrevet i teksten). Det er derfor ikke korrekt, når vi taler om hvordan et radiometer i praksis fungerer, at tale om, at radiometerets antenne udsender et beam. Men for en principiel diskussion om, hvordan selvsamme antenne fungerer, og hvad der skal til for at sikre en bestemt målepræcision, kan vi snakke om antenne som sender såvel som om modtager; disse beskrivelser er pga. princippet om elektromagnetisk reciprocitet ækvivalente. Når jeg derfor taler om, at antennen udsender et fjernfelt med en vis hovedbeam og en vis fordeling af sidesløjfer, er det set fra antennen fuldstændig det samme som, at denne antenne måler denne hovedbeam og fordeling af sidesløjfer.