mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2024-12-4-70-83QDYIBSmireabulletin-964Research ArticleСОВРЕМЕННЫЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫMODERN RADIO ENGINEERING AND TELECOMMUNICATION SYSTEMSПринципы построения бортовых радиолокационных систем наноспутников, основанных на приеме отраженных сигналов спутниковых навигационных системPrinciples of construction of nanosatellite radar systems based on global navigation satellite system reflectometryhttps://orcid.org/0009-0001-7084-1433КсендзукА. В.KsendzukA. V.

Ксендзук Александр Владимирович, д.т.н., заведующий базовой кафедрой № 346 – радиоэлектронных систем, Институт радиоэлектроники и информатики

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Scopus Author ID 56628472300

Alexander V. Ksendzuk, Dr. Sci. (Eng.), Head of Department Radioelectronic systems, Institute of Radio Electronics and Informatics

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

Scopus Author ID 56628472300

ks_alex@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7902-0212ФатеевВ. Ф.FateevV. F.

Фатеев Вячеслав Филиппович, д.т.н., профессор, Заслуженный деятель науки РФ, начальник научно- технического центра «Метрологического обеспечения наземной и космической гравиметрии»

141570, Московская область, г. Солнечногорск, рабочий поселок Менделеево (промзона ВНИИФТРИ)

Scopus Author ID 56442213300

 

Vyacheslav F. Fateev, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Honored Scientist of the Russian Federation, Head of Scientific and Technical Center for Metrological Support of Ground and Space Gravimetry

industrial zone of VNIIFTRI, settlement Mendeleevo, Solnechnogorsk, Moscow oblast, 141570

Scopus Author ID 56442213300

office@vniiftri.ruФГБОУ ВО «МИРЭА – Российский технологический университет»РоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian FederationФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений» (ФГУП «ВНИИФТРИ»)РоссияRussian Metrological Institute of Technical Physics and Radioengineering (VNIIFTRI)Russian Federation20240508202412470–83Copyright © Ксендзук А.В., Фатеев В.Ф., 20242024Ксендзук А.В., Фатеев В.Ф.Ksendzuk A.V., Fateev V.F.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/964

Цели. Создание радиолокационных систем дистанционного зондирования, основанных на приеме отраженных от поверхности Земли сигналов навигационных спутниковых систем, позволяет развернуть группировку наноспутников радиолокационного обзора земной поверхности. Целью работы является развитие принципов построения бортовых бистатических систем дистанционного зондирования на сверхмалых космических аппаратах, оценка энергетического потенциала и возможностей его увеличения.Методы. Оптимальный метод обработки в бортовых бистатических радиолокационных системах (ББРЛС) является развитием известных аналитических методов оптимальной обработки в моностатических системах. Расчет энергетического потенциала основывается на исходных данных, полученных в ходе экспериментальных исследований других авторов.Результаты. Использование сигналов навигационных спутниковых систем для зондирования поверхности является перспективным, развивающимся направлением. США и Китаем развернуты спутниковые группировки, осуществляющие дистанционное зондирование по отраженным сигналам навигационных спутников. Разработан алгоритм оптимальной обработки в таких системах, реализующий принцип синтезирования апертуры, рассчитан энергетический потенциал бистатической радиолокационной системы с синтезированием апертуры антенны. Для реализации обработки предложена схема с использованием стандартного навигационного приемника, который используется для формирования опорных сигналов.Выводы. Применение методов оптимальной обработки в ББРЛС позволяет синтезировать радиолокационное изображение по сигналам космических навигационных аппаратов. Для повышения точности оценок необходимо увеличить отношение сигнал/шум за счет сочетания когерентного накопления (синтез апертуры) и некогерентного накопления (комплексирование измерений по разным космическим аппаратам). Предложенные в работе методы обработки сигналов и структура приемника на борту сверхмалого космического аппарата позволяют реализовать синтезирование апертуры при реализуемых требованиях к аппаратной части. 

Objectives. The development of radar remote sensing systems based on the reception of signals of navigation satellite systems reflected from the surface enables a constellation of nanosatellites to be deployed, in order to perform radar surveying of the Earth’s surface. The aim of this work is to develop the principles of construction of onboard bistatic remote sensing systems on nanosatellites, in order to assess the energy potential and possibilities for its increase.Methods. The optimal processing method in onboard bistatic radar systems is a development of known analytical methods of optimal processing in monostatic systems. The calculation of the energy potential is based on the experimental data obtained by other authors.Results. The utilization of signals from navigation satellite systems for surface sensing is a promising and developing area. The USA and China have deployed satellite constellations to perform remote sensing using reflected signals of navigation satellites. An algorithm for optimal processing in such systems, which realizes the principle of aperture synthesis, was developed, and the energy potential of bistatic synthetic aperture radar was calculated. In order to achieve this processing, the proposed scheme uses a standard navigation receiver to form reference signals.Conclusions. The application of optimal processing methods in bistatic radar enables a synthetic aperture based on scattered satellite navigation system signals. In order to improve the accuracy of estimates, the signal-to-noise ratio needs to be increased by combining coherent accumulation (aperture synthesis) and incoherent accumulation (aggregating measurements from different spacecraft). The signal processing methods and receiver structure proposed in this work onboard nanosatellites allow aperture synthesis to be achieved with realizable hardware requirements.

бистатическая радиолокационная системасинтез апертурынавигационный спутникоптимальная обработкаbistatic radarsynthetic aperturenavigation satelliteoptimal processingИсследование выполнено при финансовой поддержке РНФ в рамках научного проекта № 23-67-10007.The study was financially supported by the Russian Science Foundation, grant No. 23-67-10007.ReferencesKrieger G., Moreira A., Fiedler H., et al. TanDEM-X: A satellite formation for high-resolution SAR interferometry. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2007;45(11):3317–3341. https://doi.org/10.1109/TGRS.2007.900693Krieger G., Moreira A., Fiedler H., et al. TanDEM-X: A satellite formation for high-resolution SAR interferometry. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2007;45(11):3317–3341. https://doi.org/10.1109/TGRS.2007.900693Hall C.D., Cordey R.A. Multistatic scatterometry. In: International Geoscience and Remote Sensing Symposium, ‘Remote Sensing: Moving Toward the 21st Century’. IEEE. 1988. V. 1. P. 561–562. https://doi.org/10.1109/IGARSS.1988.570200Hall C.D., Cordey R.A. Multistatic scatterometry. In: International Geoscience and Remote Sensing Symposium, ‘Remote Sensing: Moving Toward the 21st Century’. IEEE. 1988. V. 1. P. 561–562. https://doi.org/10.1109/IGARSS.1988.570200Cardellach E., Fabra F., Nogués-Correig O., et al. GNSS-R ground-based and airborne campaigns for ocean, land, ice, and snow techniques: Application to the GOLD-RTR data sets. Radio Sci. 2011;46(6):RS0C04. http://doi.org/10.1029/2011RS004683Cardellach E., Fabra F., Nogués-Correig O., et al. GNSS-R ground-based and airborne campaigns for ocean, land, ice, and snow techniques: Application to the GOLD-RTR data sets. Radio Sci. 2011;46(6):RS0C04. http://doi.org/10.1029/2011RS004683Martin-Neira M. A passive reflectometry and interferometry system (PARIS): Application to ocean altimetry. ESA J. 1993;17(4):331–355.Martin-Neira M. A passive reflectometry and interferometry system (PARIS): Application to ocean altimetry. ESA J. 1993;17(4):331–355.Ксендзук А.В. Использование спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS для дистанционного зондирования поверхности. Электромагнитные волны и электронные системы. 2003;8(5):8–15.Ksendzuk A.V. Use of GLONASS/GPS satellite navigation systems for remote surface sensing. Elektromagnitnye volny i elektronnye sistemy = Electromagnetic Waves and Electronic Systems. 2003;8(5):8–15 (in Russ.).Фатеев В.Ф., Сахно И.В. Применение навигационных КА GPS/ГЛОНАСС в составе многопозиционных РЛС обзора земной поверхности. Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2004;47(3):27–30.Fateev V.F., Sakhno I.V. Application of navigating space vehicles GPS/GLONASS in structure multi-position radar the review of a terrestrial surface. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Priborostroenie = J. Instrument Eng. 2004;47(3): 27–30 (in Russ.).Фатеев В.Ф., Сахно И.В. Способ получения радиолокационного изображения земной поверхности при помощи многопозиционной радиолокационной системы с синтезированной апертурой антенны: пат. № 2278398 РФ. Заявка № 2004121076/092006; заявл. 06.07.2004; опубл. 20.06.2006.Fateev V.F., Sakhno I.V. Method for Producing Radiolocation Image of Earth Surface by Means of Using Multi-Positional Radiolocation System with Synthesized Aperture of Antenna: RF Pat. 2278398. Publ. 20.06.2006 (in Russ.).Фатеев В.Ф., Ксендзук А.В. Наземно-космическая радиолокационная система: пат. № 113022 РФ. Заявка № 2010154058/07; заявл. 29.12.20104; опубл. 27.01.2012.Fateev V.F., Ksendzuk A.V. Ground-Space Radar System: RF Pat. 113022. Publ. 27.01.2012 (in Russ.).Бахолдин В.С., Гаврил Д.А., Шалдаев А.В. Алгоритмы формирования радиолокационных изображений земной поверхности при использовании сигналов ГЛОНАСС. Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2012;55(9):24–29.Baholdin V.S., Gavril D.A., Shaldaev A.V. Algorithms of pattern SAR images of the Earth surface with the use of GLONASS signals. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Priborostroenie = J. Instrument Eng. 2012;55(9):24–29 (in Russ.).Ксендзук А.В., Фатеев В.Ф., Герасимов П.А., Новиков В.А. Совместная обработка в многопозиционных РСА. Результаты экспериментальных исследований. В сб.: Радиолокационное исследование природных сред: труды XXVIII Всероссийского симпозиума. СПб.: ВКА имени А.Ф. Можайского. 2013;10(2):218–222.Ksendzuk A.V., Fateev V.F., Gerasimov P.A., Novikov V.A. Multiposition radar coprocessing techniques. Experimental results. In: Radar Research of Natural Environments: Proceedings of the 28th All-Russian Symposium. St. Petersburg: Mozhaisky Military Space Academy. 2013;10(2):218–222 (in Russ.).Di Simone A., Park H., Riccio D., Camps A. Sea target detection using spaceborne GNSS-R delay-Doppler maps: Theory and experimental proof of concept using TDS-1 data. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2017;10(9):4237–4255. https://doi.org/10.1109/JSTARS.2017.2705350Di Simone A., Park H., Riccio D., Camps A. Sea target detection using spaceborne GNSS-R delay-Doppler maps: Theory and experimental proof of concept using TDS-1 data. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2017;10(9):4237–4255. https://doi.org/10.1109/JSTARS.2017.2705350Hu C., Benson C.R., Park H., et al. Detecting targets above the Earth’s surface using GNSS-R delay Doppler maps: Results from TDS-1. Remote Sens. 2019;11(19):2327. https://doi.org/10.3390/rs11192327Hu C., Benson C.R., Park H., et al. Detecting targets above the Earth’s surface using GNSS-R delay Doppler maps: Results from TDS-1. Remote Sens. 2019;11(19):2327. https://doi.org/10.3390/rs11192327Фатеев В.Ф., Ксендзук А.В., Обухов П.С., Крапивкин Г.И., Тимошенко Г.В., Король Г.Н., Фатеев О.В., Новиков В.А., Герасимов П.А., Шахалов К.С. Многопозиционная радиолокационная система с синтезированием апертуры антенны по отраженным сигналам ГНСС «ГЛОНАСС». Электромагнитные волны и электронные системы. 2012;17(5):62–68.Fateev V.F., Ksendzuk A.V., Obukhov P.S., et al. Multi-position non-radiating SAR with GNSS GLONASS transmitters. Elektromagnitnye volny i elektronnye sistemy = Electromagnetic Waves and Electronic Systems. 2012;17(5):62–68 (in Russ.).Фатеев В.Ф., Ксендзук А.В., Обухов П.С., Крапивкин Г.И., Тимошенко Г.В., Король Г.Н., Новиков В.А., Герасимов П.А., Шахалов К.С. Экспериментальный бистатический радиолокационный комплекс. Электромагнитные волны и электронные системы. 2012;17(5):58–61.Fateev V.F., Ksendzuk A.V., Obukhov P.S., et al. Experimental bistatic radar complex. Elektromagnitnye volny i elektronnye sistemy = Electromagnetic Waves and Electronic Systems. 2012;17(5):58–61 (in Russ.).Freeman V., Masters D., Jales P., et al. Earth Surface Monitoring with Spire’s New GNSS Reflectometry (GNSS-R) CubeSats. In: 22nd EGU General Assembly Conference Abstracts. 2020. id. 13766. https://doi.org/10.5194/egusphere-egu2020-13766Freeman V., Masters D., Jales P., et al. Earth Surface Monitoring with Spire’s New GNSS Reflectometry (GNSS-R) CubeSats. In: 22nd EGU General Assembly Conference Abstracts. 2020. id. 13766. https://doi.org/10.5194/egusphere-egu2020-13766Camps A., Golkar A., Gutierrez A., et al. Fsscat, the 2017 Copernicus Masters’ “Esa Sentinel Small Satellite Challenge” Winner: A federated polar and soil moisture tandem mission based on 6U Cubesats. In: IGARSS 2018 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. IEEE; 2018. P. 8285–8287. https://doi.org/10.1109/IGARSS.2018.8518405Camps A., Golkar A., Gutierrez A., et al. Fsscat, the 2017 Copernicus Masters’ “Esa Sentinel Small Satellite Challenge” Winner: A federated polar and soil moisture tandem mission based on 6U Cubesats. In: IGARSS 2018 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. IEEE; 2018. P. 8285–8287. https://doi.org/10.1109/IGARSS.2018.8518405Jing C., Niu X., Duan C., et al. Sea surface wind speed retrieval from the first Chinese GNSS-R mission: Technique and preliminary results. Remote Sens. 2019;11(24):3013. https://doi.org/10.3390/rs11243013Jing C., Niu X., Duan C., et al. Sea surface wind speed retrieval from the first Chinese GNSS-R mission: Technique and preliminary results. Remote Sens. 2019;11(24):3013. https://doi.org/10.3390/rs11243013Unwin M., Rawinson J., King L., et al. GNSS-reflectometry activities on the DoT-1 microsatellite in preparation for the hydrognss mission. In: 2021 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium IGARSS. IEEE; 2021. P. 1288–1290. https://doi.org/10.1109/IGARSS47720.2021.9554352Unwin M., Rawinson J., King L., et al. GNSS-reflectometry activities on the DoT-1 microsatellite in preparation for the hydrognss mission. In: 2021 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium IGARSS. IEEE; 2021. P. 1288–1290. https://doi.org/10.1109/IGARSS47720.2021.9554352Xia J., Bai W., Sun Y., et al. Calibration and wind speed retrieval for the Fengyun-3 E Meteorological Satellite GNSS-R Mission. In: 2021 IEEE Specialist Meeting on Reflectometry using GNSS and other Signals of Opportunity (GNSS+R). IEEE; 2021. P. 25–28. https://doi.org/10.1109/GNSSR53802.2021.9617699Xia J., Bai W., Sun Y., et al. Calibration and wind speed retrieval for the Fengyun-3 E Meteorological Satellite GNSS-R Mission. In: 2021 IEEE Specialist Meeting on Reflectometry using GNSS and other Signals of Opportunity (GNSS+R). IEEE; 2021. P. 25–28. https://doi.org/10.1109/GNSSR53802.2021.9617699Cheng Z., Jin T., Chang X., et al. Evaluation of spaceborne GNSS-R based sea surface altimetry using multiple constellation signals. Front. Earth Sci. 2023;10:1079255. https://doi.org/10.3389/feart.2022.1079255Cheng Z., Jin T., Chang X., et al. Evaluation of spaceborne GNSS-R based sea surface altimetry using multiple constellation signals. Front. Earth Sci. 2023;10:1079255. https://doi.org/10.3389/feart.2022.1079255Munoz-Martin J.F., Portero A.P., Camps A., et al. Snow and ice thickness retrievals using GNSS-R: Preliminary results of the MOSAiC experiment. Remote Sens. 2020;12(24):4038. https://doi.org/10.3390/rs12244038Munoz-Martin J.F., Portero A.P., Camps A., et al. Snow and ice thickness retrievals using GNSS-R: Preliminary results of the MOSAiC experiment. Remote Sens. 2020;12(24):4038. https://doi.org/10.3390/rs12244038Nogués O.C., Munoz-Martin J.F., Park H., et al. Improved GNSS-R altimetry methods: Theory and experimental demonstration using airborne dual frequency data from the microwave interferometric reflectometer (MIR). Remote Sens. 2021;13(20):4186. https://doi.org/10.3390/rs13204186Nogués O.C., Munoz-Martin J.F., Park H., et al. Improved GNSS-R altimetry methods: Theory and experimental demonstration using airborne dual frequency data from the microwave interferometric reflectometer (MIR). Remote Sens. 2021;13(20):4186. https://doi.org/10.3390/rs13204186Фатеев В.Ф., Лопатин В.П. Космический бистатический радиолокатор контроля профиля поверхности океана на основе сигналов ГНСС. Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2019;62(5):484–491. https://doi.org/10.17586/0021-3454-2019-62-5-484-491Fateev V.F., Lopatin V.P. Space bistatic radar to monitor the ocean surface profile based on GNSS signals. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Priborostroenie = J. Instrument Eng. 2019;62(5):484–491 (in Russ.). https://doi.org/10.17586/00213454-2019-62-5-484-491Лопатин В.П., Фатеев В.Ф. Исследование бистатической радиолокационной системы на основе сигналов GPS/ГЛОНАСС в безэховой камере. Труды Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского. 2019;670:64–68.Lopatin V.P., Fateev V.F. Study of a bistatic radiolocation system on the basis of GPS/GLONASS signals in echo-free camera. Proceedings of the Mozhaisky Military Aerospace Academy. 2019;670:64–68 (in Russ.).Волосюк В.К., Кравченко В.Ф. Статистическая теория радиотехнических систем дистанционного зондирования и радиолокации. М.: Физматлит; 2008. 351 с.Volosyuk V.K., Kravchenko V.F. Statisticheskaya teoriya radiotekhnicheskikh sistem distantsionnogo zondirovaniya i radiolokatsii (Statistical Theory of Radio-engineering Systems of Remote Sensing and Radiolocation). Moscow: Fizmatlit; 2008. 351 p. (in Russ.).Di Martino G., Di Simone A., Iodice A., Riccio D. Bistatic scattering from anisotropic rough surfaces via a closed-form twoscale model. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2020;59(5):3656–3671. https://doi.org/10.1109/TGRS.2020.3021784Di Martino G., Di Simone A., Iodice A., Riccio D. Bistatic scattering from anisotropic rough surfaces via a closed-form twoscale model. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2020;59(5):3656–3671. https://doi.org/10.1109/TGRS.2020.3021784Asgarimehr M., Zavorotny V.U., Wickert J., Reich S. Can GNSS reflectometry detect precipitation over oceans? Geophys. Res. Lett. 2018;45(22):12585–12592. https://doi.org/10.1029/2018GL079708Asgarimehr M., Zavorotny V.U., Wickert J., Reich S. Can GNSS reflectometry detect precipitation over oceans? Geophys. Res. Lett. 2018;45(22):12,585–12,592. https://doi.org/10.1029/2018GL079708Gleason S., Ruf C.S., O’Brien A.J., McKague D.S. The CYGNSS Level 1 calibration algorithm and error analysis based on on-orbit measurements. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2019;12(1): 37–49. https://doi.org/10.1109/JSTARS.2018.2832981Gleason S., Ruf C.S., O’Brien A.J., McKague D.S. The CYGNSS Level 1 calibration algorithm and error analysis based on on-orbit measurements. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2019;12(1): 37–49. https://doi.org/10.1109/JSTARS.2018.2832981Nan Y., Ye S., Liu J., et al. Signal-to-noise ratio analyses of spaceborne GNSS-reflectometry from Galileo and BeiDou satellites. Remote Sens. 2022;14(1):35. https://doi.org/10.3390/rs14010035Nan Y., Ye S., Liu J., et al. Signal-to-noise ratio analyses of spaceborne GNSS-reflectometry from Galileo and BeiDou satellites. Remote Sens. 2022;14(1):35. https://doi.org/10.3390/rs14010035Rodriguez-Alvarez N., Munoz-Martin J.F., Morris M. Latest Advances in the Global Navigation Satellite System— Reflectometry (GNSS-R) Field. Remote Sens. 2023;15(8):2157. https://doi.org/10.3390/rs15082157Rodriguez-Alvarez N., Munoz-Martin J.F., Morris M. Latest Advances in the Global Navigation Satellite System— Reflectometry (GNSS-R) Field. Remote Sens. 2023;15(8):2157. https://doi.org/10.3390/rs15082157Cartwright J., Banks Ch.J., Srokosz M. Sea Ice Detection Using GNSS-R Data From TechDemoSat-1. JGR Oceans. 2019. V. 124. Iss. 8. P. 5801–5810. https://doi.org/10.1029/2019JC015327Cartwright J., Banks Ch.J., Srokosz M. Sea Ice Detection Using GNSS-R Data From TechDemoSat-1. JGR Oceans. 2019. V. 124. Iss. 8. P. 5801–5810. https://doi.org/10.1029/2019JC015327Потапов А.А., Кузнецов В.А., Аликулов Е.А. Анализ способов комплексирования изображений, формируемых многодиапазонными радиолокационными станциями с синтезированной апертурой. Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2021;24(3):6–21. https://doi.org/10.32603/1993-8985-2021-24-3-6-21Potapov A.A., Kuznetsov V.A., Alikulov E.A. Methods for Complexing Images Formed by Multi-Band Synthetic Aperture Radars. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii Rossii. Radioelektronika = Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2021;24(3):6–21 (in Russ.). https://doi.org/10.32603/1993-8985-2021-24-3-6-21

The authors declare that there are no conflicts of interest present.