Принципы построения бортовых радиолокационных систем наноспутников, основанных на приеме отраженных сигналов спутниковых навигационных систем

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. 

1. Krieger 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.2007.900693

2. Hall 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.1988.570200

3. Cardellach 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/10.1029/2011RS004683

4. Martin-Neira M. A passive reflectometry and interferometry system (PARIS): Application to ocean altimetry. ESA J. 1993;17(4):331–355.

5. Ксендзук А.В. Использование спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS для дистанционного зондирования поверхности. Электромагнитные волны и электронные системы. 2003;8(5):8–15.

6. 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.

7. 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.

8. Фатеев В.Ф., Ксендзук А.В. Наземно-космическая радиолокационная система: пат. № 113022 РФ. Заявка № 2010154058/07; заявл. 29.12.20104; опубл. 27.01.2012.

9. 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.

10. 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.

11. 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.2017.2705350

12. Hu 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/rs11192327

13. Фатеев 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.

14. 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.

15. 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-egu2020-13766

16. Camps 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.2018.8518405

17. Jing 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/rs11243013

18. Unwin 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/IGARSS47720.2021.9554352

19. Xia 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/GNSSR53802.2021.9617699

20. Cheng 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.2022.1079255

21. Munoz-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/rs12244038

22. Nogués 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/rs13204186

23. Фатеев 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/10.17586/0021-3454-2019-62-5-484-491

24. Лопатин 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.

25. Волосюк В.К., Кравченко В.Ф. Статистическая теория радиотехнических систем дистанционного зондирования и радиолокации. М.: Физматлит; 2008. 351 с.

26. 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.2020.3021784

27. Asgarimehr 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/10.1029/2018GL079708

28. Gleason 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.2018.2832981

29. Nan 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/rs14010035

30. Rodriguez-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/rs15082157

31. Cartwright 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/10.1029/2019JC015327

32. Потапов 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/10.32603/1993-8985-2021-24-3-6-21