Bruker "støyen" fra navigasjonssatellitter til å forske på jorda

Satellittnavigasjonssystemer som europeiske Galileo sender hele tiden ut navigasjonssignaler. Vi bruker disse signalene til å finne veien på land, til vanns og i lufta. Men hva skjer med dem etterpå?

Signalene fra navigasjonssatellittene ligger på mikrobølgedelen av spekteret. Når de treffer jorda, reflekteres de fra land og hav tilbake opp i rommet.

Slike reflekterte navigasjonssignaler ble før sett på som kun støy, fordi de kan blande seg med navigasjonssignalene som kommer direkte fra satellittene og redusere nøyaktigheten deres.

Men i 1993 fikk Manuel Martín-Neira, en ung ingeniør som jobbet med mikrobølger hos den europeiske romorganisasjonen ESA, en idé.

Hvorfor ikke bruke de reflekterte mikrobølgene fra navigasjonssatellittene til å forske på jorda og dens store systemer, såkalt jordobservasjon?

Nøyaktighet på under fem centimeter

Manuel laget en antenne med to sider, kalt Passive Reflectometry and Interferometry System (PARIS). Den siden av antennen som vendte opp, tok inn navigasjonssignaler fra satellitter i bane. Mens den siden som vendte ned, tok inn navigasjonssignaler reflektert av jorda.

Ved å sammenlikne navigasjonssignalene som kom direkte fra satellittene, med de reflekterte signalene fra jorda, kunne Manuel måle forskjellen i tid mellom de to signalene. (Illustrasjon finner du her.)

De fire første Galileo-satellittene i bane. Illustrasjon: ESA/P. Carril

Denne metoden, kalt satellitt-reflektometri, er i dag så nøyaktig at den kan måle avstander på under fem centimeter. Det kan brukes til blant annet å måle havnivået og tykkelsen på havis i polare strøk.

Videre prosessering av slike data kan gi informasjon om blant annet vind og bølger til havs, og fuktigheten i jordsmonnet og mengden biomasse på land.

Måles med andre satellitter

Siden Manuel fikk den gode idéen og utviklet antennen sin, har satellitt-reflektometri blitt et eget fagfelt, med egne konferanser og møter. Instrumenter for satellitt-reflektometri skytes også opp på satellitter.

- Siden satellitt-reflektometri fanger inn signaler passivt, trenger denne teknologien mindre strøm, og er dermed lettere å bruke i rommet, sier Manuel.

Den første satellitten som hadde instrumenter for satellitt-reflektometri var britiske UK-DMC, som ble skutt opp i 2003.

NASAs satellitt CyGNSS overvåker orkaner ved hjelp av reflekterte satellittnavigasjonssignaler. Illustrasjon: NASA

Senere har blant annet NASAs satellittkonstellasjon CyGNSS, som overvåker orkaner, og den kommersielle satellittkonstellasjonen Spire Global, hatt instrumenter ombord for satellitt-reflektometri.

- Vi som driver med satellitt-reflektometri har fått en mengde signaler å jobbe med fra disse satellittkonstellasjonene, slik at vi nå kan se forskjell på signaler som reflekteres fra havis og skog, eller elver og innsjøer på land, sier Manuel.

I havet nær kontinentene, ved atoller og i svært rolig vann, kan de reflekterte satellittsignalene brukes til å måle høydeforskjeller på mindre enn 1 centimeter.

- Det kan bli viktig for å finmåle havnivået og hvordan det endrer seg over tid, sier Manuel.

Ingen god respons først

Nå har ESA utviklet og testet en ny antenne for satellitt-reflektometri. Den heter Software PARIS Interferometric Receiver (SPIR) og ble første gang testet med fly i Finland i 2015.

Siden SPIR har separate antenner som kan beveges hver for seg, kan dette nye systemet se forskjell på signalene fra ulike kilder, som europeiske Galileo og amerikanske GPS.

ESAs Direktorat for telekommunikasjon og integrerte applikasjoner jobber også sammen med firmaet bak satellitten Spire Global for å utvikle bedre reflektometri-instrumenter til deres nye satellitter. Disse satellittene skal blant annet gi værdata for kommersiell bruk.

Manuel Martín-Neira (i hvitt) på konferanse innen satellitt-reflektometri, som han fant opp og som nå er et eget fagfelt. Foto: ESA/M. Martín-Neira

Men den gangen da Manuel fikk ideen om å bruke de reflekterte signalene fra navigasjonssatellitter til å forske på jorda og dens store systemer, var ikke responsen særlig god til å begynne med.

- Patentgruppen hos ESA mente likevel jeg burde ta patent på metoden, og det gjorde en stor forskjell. Det oppmuntret meg til å jobbe videre med idéen, for nå var det noen andre som også så nytten av den. Resten er historie, sier Manuel.

Satellittnavigasjonssignaler brukes ikke bare til å finne veien, men også blant annet til å lande fly raskere og lettere, spore truete dyrearter og finne brudd på strømnettet.

Norge bruker mye data fra både navigasjonssatellitter og jordobservasjonssatellitter, og har utarbeidet en ny strategi for systemene for posisjon, navigasjon og tid.