Βαθμονόμηση του Ευρωπαϊκού μοντέλου Sentinel-3A

Από RemoteSensing Wiki

Βαθμονόμηση του Ευρωπαϊκού μοντέλου Sentinel-3A

ΠΡΩΤΟΤΥΠΟΣ ΤΙΤΛΟΣ : Absolute Calibration of the European Sentinel-3A, Surface Topography Mission over the Permanent Facility for Altimetry Calibration in west Crete, Greece

ΣΥΓΓΡΑΦΕΙΣ : Stelios Mertikas, Craig Donlon, Pierre Féménias, Constantin Mavrocordatos, Demitris Galanakis, Achilles Tripolitsiotis, Xenophon Frantzis, Costas Kokolakis, Ilias N. Tziavos , George Vergos and Thierry Guinle

ΠΗΓΗ : [1] ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ : Ευρωπαϊκό μοντέλο, sentinel-3A, εναέρια, μηχανήματα

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Αρκετές δεκαετίες, χρησιμοποιούνται διεθνή προγράμματα δορυφορικής παρακολούθησης της γης (EO), για να εξυπηρετούν τόσο επιστημονικές, όσο και κοινωνικές ανάγκες. Το συγκεκριμλενο πρόγραμμα, Copernicus, πρόκειται για το μεγαλύτερο ενιαίο πρόγραμμα EO στον κόσμο, αν και δεν είναι πλήρως λειτουργικό, έχει ήδη οικονομικά οφέλη. Οι δορυφόροι Sentinel είναι τα μέσα για την παροχή των παρατηρήσεων από το πρόγραμμα. Αποτελούνται από έξι διαφορετικές οικογένειες δορυφόρων (Sentinel-1 έως Sentinel-6 και θα επεκταθούν μέχρι τη σειρά Sentinel-9) σχεδιασμένο να εξυπηρετεί διάφορες υπηρεσίες μετρήσεων (ατμόσφαιρας, γη, κλιματική αλλαγή, διαχείριση έκτακτης ανάγκης, ασφάλεια, θαλάσσιο περιβάλλον). Η οικογένεια Sentinel-3 συμβάλλει στο Copernicus Marine Services με τη μέτρηση μεταβλητών όπως η τοπογραφία της επιφάνειας της θάλασσας, τις διαβαθμίσεις του ωκεανού και της γης, και τις θερμοκρασίες τους, για την υποστήριξη της επιχειρησιακής ωκεανογραφίας, του περιβάλλοντος και την συνολική παρακολούθηση της κλιματικής αλλαγής. Γενικότερα, ο Sentinel-3A κυκλοφόρησε στις 16 Φεβρουαρίου 2016 και ο ‘δίδυμος’ δορυφόρος Sentinel-3B στις 25 Απριλίου 2018. Σύντομα θα αναπτυχθούν δύο ακόμη δορυφόροι, ο Sentinel-3C και Sentinel-3D, για να διασφαλιστεί η συνέχεια της υπηρεσίας έως το 2030. Το στοιχείο Surface Topography Mission (STM) του Sentinel-3 αποτελείται από διπλή συχνότητα (Ku-και C-band) , συνθετικό υψόμετρο ραντάρ διαφράγματος (SRAL), ραδιόμετρο μικροκυμάτων (MWR) και σύστημα για τον ακριβή προσδιορισμό τροχιάς (POD) που περιλαμβάνει ένα παγκόσμιο δορυφορικό σύστημα πλοήγησης (GNSS), ένα σύστημα DORIS (Détermination d’Orbite et Radiopositionnement Intégré par Satellite) και ένα Laser ανακλαστήρα. Ο κύριος στόχος του Sentinel-3 STM είναι να παρέχει ακρίβεια ύψους στην επιφάνεια της θάλασσας 3,5 cm. Αυτό προκύπτει ως συνδυασμός συνεισφορών από το SRAL, MWR και τα όργανα POD, διασφαλίζοντας μακροπρόθεσμη εμπιστοσύνη, ακρίβεια και ποιότητα. Τα προϊόντα δεδομένων από τους Sentinel-3, οι βαθμονομήσεις και οι επικυρώσεις (Cal / Val) πρέπει να πραγματοποιούνται σε όλες τις φάσεις της αποστολής.

ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ Οι ποταμοί αποτελούν σύνθετα οικοσυστήματα, γιατί σε αυτά επιδρούν πολλές παράμετροι. Απαιτείται η παρακολούθηση όλων των αλλαγών, χρονικά και χωρικά των ποταμών για να κατανοήσουμε σε ποια κατεύθυνση, θα βελτιωθεί η ποιότητα του οικοτόπου και η παραμονή σε αυτών όλων των ζωντανών του οργανισμών. Για αυτό το λόγω, υπάρχει και μια συνεχή παρατήρηση και συλλογή στοιχείων δεδομένα σχετικά με τις γεωμορφολογικών και υδρολογικών, όσον αφορά τα ποτάμια. Δειγματοληψίες μεγάλης κλίμακας, χωρίς και σε απόσταση μεγάλων χρονικών διαστημάτων δεν ενδείκνυται για τέτοιους βιοτόπους. Οι μέθοδοι τηλεπισκόπησης χρησιμοποιούνται εκτενώς στην έρευνα και παρακολούθηση των φυσικών οικοτόπων των ποταμών και γίνονται επίσης, πολλές ερευνητικές προσπάθειες με στόχο την ανάδειξη της χρήσης ψηφιακής φωτογεωμετρίας και συσχετίσεις φάσματος για τον προσδιορισμό τοπογραφικών στοχείων, ιδιοτήτων του υποστρώματος και την ακριβή χαρτογράφιση υδρογεωμορφικών στοιχείων. Πολλές μελέτες το υποστηρίζουν την χρήση στερεοσκοπικών εικόνων UAV, για την κατασκευή 3D τοπογραφικών μοντέλων για την παρακολούθηση μετατοπίσεων εδαφών και διαδικασίες διάβρωσης. Αυτή η προσέγγιση προσφέρει ταχύτητα στην απόκτηση δεδομένων, μειωμένο κόστος και υψηλή ποιότητα χωρικών αναλύσεων, που φτάνουν συχνά σε λεπτομέρεια εκατοστού. Ο τομέας των μη επανδρωμένων εναέριων συστημάτων (UAS) προσφέρει τη δυνατότητα μελέτης περιβαλλοντικών διαδικασιών σε χωροχρονικές συνθήκες, που δεν θα μπορούσαν να επιτευχθούν χρησιμοποιώντας παλαιότερες τεχνικές τηλεπισκόπισης. Ο σκοπός αυτής της μελέτης είναι να χρησιμοποιήσει αυτή την τεχνολογία (UAV) για τη διερεύνηση της κοίτης ένος ποταμού στη Μεσόγειο, του οποίου η μορφολογία αλλάζει, μέσα σε ένα χρόνο και να αξιολογήσει την καταλληλότηα ενός τέτοιου βιότοπου για ένα τυπικό είδος ψαριού.

Η ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΤΟΥ SENTINEL-3A

Αυτή η εργασία παρουσιάζει τα τελευταία αποτελέσματα της βαθμονόμησης εξωτερικού υψομέτρου του Sentinel-3A STM με in-situ δεδομένα στην ειδική μόνιμη εγκατάσταση για βαθμονόμηση Altimetry (PFAC) στη δυτική Κρήτη,στην Ελλάδα. Πρόκειται για την εγκατάσταση Cal / Val, που παρέχει βαθμονόμηση αναμεταδοτών εξωτερικής εμβέλειας, διαβαθμονόμηση με άλλες αποστολές υψομετρίας και βαθμονόμηση ύψους επιφάνειας θάλασσας με in-situ δεδομένα, κυρίως στο νησί της Γαύδου, στα νότια της Κρήτης . Επιπλέον, επικύρωση των ατμοσφαιρικών καθυστερήσεων που παρέχονται από το όργανο MWR πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας παρατηρήσεις από ένα δίκτυο συνεχούς λειτουργίας σταθμών αναφοράς GNSS που έχουν δημιουργηθεί στην ευρύτερη περιοχή.

ΥΠΟΔΟΜΗ ΚΑΙ ΟΡΓΑΝΩΣΗ

Ο δορυφόρος Sentinel-3 πετά σε υψόμετρο 814,5 χλμ μετά από μια σχεδόν πολική σύγχρονη του ηλίου τροχιά που εξασφαλίζει διαχωρισμό διαδρομής εδάφους 104 χλμ στον Ισημερινό. Χρειάζεται 385 τροχιές για να εκτελέσει ένα ολοκλήρωση του κύκλου της Γης. Το στοιχείο STM έχει χρόνο επίσκεψης 27 ημερών στην ίδια τοποθεσία εδάφους. Αυτή η χρονική επαναληψιμότητα του βρίσκεται ανάμεσα σε αυτή του Envisat και του SARAL. Η επιστημονική κοινότητα ερευνά και παρέχει βαθμονόμηση και επικύρωση μετά την κυκλοφορία προϊόντων δορυφορικού υψομέτρου από τις αρχές της εποχής της υψομετρίας. Σε συνέχεια της τεχνολογικής προόδου στην δορυφορική υψομετρία, έχουν εφαρμοστεί αρκετές τεχνικές για την απόλυτη ή τη σχετική βαθμονόμηση δορυφορικών υψομέτρων. Κάποια παραδείγματα είναι το κατανεμημένο δίκτυο παλίρροιας (σχετική), ανάλυση crossover (σχετική), βαθμονόμηση της επιφάνειας της θάλασσας με χρήση παλιρροιακών μετρητών ή / και GNSS σημαντήρων (απόλυτη) και ενεργή βαθμονόμηση αναμεταδοτών (απόλυτη). Τρεις από αυτές τις τεχνικές Cal / Val έχουν τεθεί σε δράση στο PFAC, και στοιχεία τους παρουσιάζονται στο πρωτότυπο κείμενο, στο οποίο μπορείτε να ανατρέξετε.

ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΑΝΑΜΕΤΑΔΟΤΩΝ

Στην προσεφορική υψομετρία, η πραγματική παρατήρηση είναι ο χρόνος ανάκλασης της μέτρησης μέχρι να καταγραφεί από τον μετρητή του υψομέτρου. Γίνεται μετάδοση από το όργανο, ύστερα μετράται ο χρόνος της ανάκλασης, από την εφαρμογή τηςμέτρησης στη Γη και έπειτα γίνεταικαταγραφή στο μετρητή ύψους. Προκειμένου λοιπόν, να διακιδεύεται η πρόσβασηση μέχρι τη Γη και η ακρίβεια των διανυσμάτων, πρέπει να υπάρχει και εξωτερική και ανεξάρτητη πρόσβαση στις εικόνες που ζητάται να μετρθούν. Η βαθμονόμηση αναμεταδοτών του Sentinel-3A στη λειτουργία SAR απαιτεί εκτεταμένη επεξεργασία μεμονωμένων καθώς αυτοί πρωτοελήφθησαν και αναμεταδόθηκαν από τον αναμεταδότη και αργότεραλήφθηκε και καταγράφηκε στην τροχιά του, το δορυφορικό υψόμετρο. Το εσωτερικό λογισμικό αναπτύχθηκε για την επεξεργασία όλων αυτών των δεδομένων για βαθμονόμηση αναμεταδοτών.

Συγκεκριμένα, η βαθμονόμηση αναμεταδοτών στη λειτουργία SAR αποτελείται από τα ακόλουθα βήματα: 1. Ανάκτηση δεδομένων. Τα απαραίτητα δεδομένα για την εφαρμογή της διαδικασίας βαθμονόμησης αναμεταδοτών είναι: (α) δυαδικά προϊόντα Sentinel-3A Level-0, β) εσωτερικά αρχεία βαθμονόμησης υψομέτρου, (γ) δορυφόρος δεδομένα πλοήγησης και στάσης τροχιάς, (δ) βοηθητικά δεδομένα, συμπεριλαμβανομένων των Center of Gravity (COG) και σταθερά δεδομένα ταλαντωτών (USO), ε) συντεταγμένες του ακριβούς σημείου μέτρησης του αναμεταδότη σε σχέση με ένα σύστημα συντεταγμένων αναφοράς (δηλ. ITRF 2014), στ) ατμοσφαιρικές καθυστερήσεις (δηλ. υγρή/ξηρή τροπόσφαιρα, ιονόσφαιρα) σημάτων υψομέτρου και γεωφυσικών διορθώσεων επιπέδου-2, (ζ) την καθυστέρηση της εσωτερικής διαδρομής του αναμεταδότη. 2. Βαθμονόμηση κυματομορφής. Αυτό το βήμα περιλαμβάνει τη βαθμονόμηση του μηχανικού Sentinel-3A Level-0. Προϊόντα δεδομένων SAR, που χρησιμοποιούν τα εσωτερικά αρχεία βαθμονόμησης . 3. Επανάληψη κυματομορφής. Χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του μετρημένου εύρους υψομέτρου. Οι κλίσεις κυμαίνονται μεταξύ του δορυφόρου και του αναμεταδότη. 4. Διορθώσεις στο παρατηρούμενο εύρος. Το εύρος υψομέτρου Rm, όπως υπολογίστηκε στο προηγούμενο βήμα, διορθώνεται με βάση κάποιες παραμέτρους.[ (α) καθυστερήσεις τροπόσφαιρας και ιονόσφαιρας που προκαλούνται από την ατμόσφαιρα στο σήμα του υψομέτρου. (β) διαφορά μεταξύ του κέντρου βάρους του δορυφόρου και του κέντρο μέτρησης του υψομέτρου. (γ) μετατόπιση του ταλαντωτή του, (δ) εσωτερικές καθυστερήσεις , (ε) γεωφυσικές διορθώσεις στη θέση του αναμεταδότη, (στ) φαινόμενο Doppler. 5. Θεωρητική εκτίμηση εύρους. Οι απόλυτες καρτεσιανές συντεταγμένες του δορυφόρου (xk, yk, zk) και του αναμεταδότη (X0, Y0, Z0), αντίστοιχα, δίδονται από τα αρχεία πλοήγησης του δορυφόρου και από τοπικές γεωδαιτικές έρευνες στο έδαφος. Πρέπει να ληφθεί μέριμνα ώστε να διασφαλιστεί ότι αναφέρονται όλες οι συντεταγμένες στο ίδιο γεωδαιτικό σύστημα αναφοράς, συντεταγμένων και χρόνου. 6. Προσδιορισμός μεροληψίας εύρους, δεδομένου του θεωρητικού εύρους rk.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Το δορυφορικό υψόμετρο Sentinel-3A είναι ο πρώτος «απόγονος» της οικογένειας Sentinel-3 του προγράμματος Copernicus. Η μόνιμη εγκατάσταση για δορυφορικό μετρητή υψομέτρου που λειτουργεί στη δυτική Κρήτη, Ελλάδα έχει χρησιμοποιηθεί και χρησιμεύει ως βασική εγκατάσταση παρακολούθησης της απόδοσης του υψομέτρου Sentinel-3A. Χρησιμοποιήθηκαν δύο σημαντικοί μόνιμοι ιστότοποι Cal / Val, οι οποίοι εφαρμόζουν διαφορετικές μεθοδολογίες βαθμονόμησης: ο ιστότοπος βαθμονόμησης αναμεταδοτών Sentinel-3 Altimeter της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας στα βουνά της Κρήτης ("CDN1 Cal / Val") και η εγκατάσταση Cal / Val στην επιφάνεια της Γαύδου, που παρέχει υπηρεσίες βαθμονόμησης για όλες τις αποστολές από το 2004. Οι αναλύσεις προϋπολογισμού αβεβαιότητας, που παρουσιάζονται για τις βαθμονομήσεις αναμεταδοτών για την επιφανείας της θάλασσας αποτελούν την πρώτη προσπάθεια καταγραφής των πηγών σφάλματος και παρέχουν μια απλοποιημένη και ρεαλιστική προσέγγιση για την αβεβαιότητα σε κάθε βαθμονόμηση υψομέτρου. Έτσι δορυφορικά αποτελέσματα υψομετρίας μπορούν να δίνονται πλέον μαζί με αναλύσεις της αβεβαιότητάς τους και αυτό είναι μια επιτυχία του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος .