GNSS-Reflektometrie (GNSS-R)

Die GNSS-Reflektometrie ist eine relativ neue Kategorie von Satellitennavigationsanwendungen. Sie beinhaltet verschiedene Fernerkundungsmethoden zum Empfang und zur Verarbeitung von Mikrowellensignalen, die von Wasser-, Eis- oder Landoberflächen reflektiert werden, um Informationen über diese Oberflächen zu extrahieren.

Beim GNSS-R fungiert der GNSS-Satellit als Sender und ein Flugzeug oder ein Satellit in der erdnahen Umlaufbahn (Low Earth Orbit, LEO) als Empfangsplattform. Für Altimetrie-Anwendungen kann ein GNSS-R-Empfänger auch auf dem Land platziert werden. Ein Vorteil der GNSS-R-Fernerkundung ist die Allgegenwart von Signalquellen, einschließlich GPS, Galileo, GLONASS und Beidou.

Bei diesen Methoden werden die von Wasser-, Eis- oder Landoberflächen reflektierten Signale von Navigationssatelliten aufgezeichnet und ausgewertet. Wichtige geophysikalische Eigenschaften der reflektierenden Oberflächen können abgeleitet werden, wie geometrische Höhe, Bodenfeuchte oder Rauhigkeit, die z.B. mit Windgeschwindigkeit und -richtung über Wasseroberflächen korreliert werden kann. Eine breite Palette von Anwendungen ist möglich, wie z.B. Beiträge zu Wettervorhersagen, Breitsschwad-Altimetrie (wide-swath altimetry), Messungen der Meereswinde, des Salzgehalts des Meerwassers und der Dichte der Eisschicht sowie Feuchtigkeitsmessungen über Land.

Relevante Satellitenmissionen

CYGNSS	Die Mission Cyclone Global Navigation Satellite System (CYGNSS) ist eine LEO-Konstellation aus acht Mikrosatelliten, die im Dezember 2016 gestartet wurde und von der NOAA und der NASA betrieben wird. Sie misst die Windgeschwindigkeiten an der Meeresoberfläche, um zu ermitteln, wie tropische Wirbelstürme entstehen und sich entwickeln. CYGNSS nutzt das bistatische GNSS-R-Radarkonzept, bei dem reflektierte GPS-Signale von der Erdoberfläche empfangen und direkte GPS-Signale zur Satellitenortung genutzt werden. Jeder CYGNSS-Satellit ist mit einem einzigen Instrument ausgestattet, dem Delay Doppler Mapping Instrument (DDMI). Das DDMI erzeugt DDMs, aus denen Windgeschwindigkeiten abgeleitet werden können. Alle acht CYGNSS-Satelliten wurden am 15. Dezember 2016 gestartet und operieren in einer nicht sonnensynchronen Umlaufbahn in einer Höhe von 520 km mit einer Umlaufzeit von 95 Minuten und einer Neigung von 35°. Die Satelliten umkreisen die Erde paarweise mit einem Abstand von 12 Minuten zwischen den Umlaufbahnen.
HydroGNSS	HydroGNSS ist eine geplante GNSS-R-Mission der ESA zur Erfassung von Daten zu hydrologischen Parametern unter Verwendung reflektierter L-Band-GNSS-Signale. HydroGNSS wird ein einziges Instrument mitführen, den HydroGNSS-Empfänger, der dualpolarisierte Signale bei zwei Frequenzen erfassen wird. Ziel der Mission ist es, Daten zum Bodenfeuchtegehalt, zur Überflutung von Feuchtgebieten, zum Gefrier- und Auftauzustand des Bodens sowie zur oberirdischen Waldbiomasse zu sammeln.
MuSat	MuSat ist eine Konstellation modularer Kleinsatelliten, die von Muon Space entwickelt wurde. Die Plattformen MuSat-2 und -3, die im März bzw. August 2024 gestartet wurden, tragen eine Signals of Opportunity (SoOpr)-Nutzlast, die GNSS-R zur Erstellung von Erdbeobachtungsprodukten nutzt. DDMs werden als primäres Datenprodukt erstellt, und Muon Space entwickelt eigene Algorithmen zur Ableitung von Produkten zur Bodenfeuchte und zur Windgeschwindigkeit über dem Meer.
Yunyao Aerospace Constellation	Die Yunyao Aerospace Constellation, die im Dezember 2021 gestartet wurde, ist eine von Yunyao Aerospace entwickelte kommerzielle Konstellation, die aus 80 Nanosatelliten besteht, die in der erdnahen Umlaufbahn (LEO) operieren. Jede Yunyao-Einheit ist mit einem GNSS-R-Empfänger ausgestattet, der multistatische Beobachtungen unterstützt und mehrere reflektierte GNSS-Signale gleichzeitig empfängt.
DoT-1	Die Mission „Demonstration of Technology 1“ (DoT-1) ist ein von Surrey Satellite Technology Ltd (SSTL) hergestellter Mikrosatellit zur Technologiedemonstration, der im Juli 2019 gestartet wurde. DoT-1 soll das neue Core Data Handling System (Core-DHS) von SSTL demonstrieren. Die Mission umfasst einen GNSS-R-Empfänger, da dieser wesentlich kostengünstiger und leichter als ein aktives Instrument ist und Beobachtungsdaten für den Technologie-Demonstrationsaspekt der Mission liefert.
Spire Global Nanosatellite Constellation	Die im August 2013 gestartete Spire Global Nanosatellite Constellation ist eine kommerzielle Konstellation von Lemur-2-Satelliten, die Spire Global Inc. gehören und von diesem Unternehmen betrieben werden und aus mehr als 180 Flugeinheiten bestehen. Die Lemur-2-Satelliten sind mit einem GNSS-R-Empfänger ausgestattet, der zur DDM-Erzeugung aus reflektierten Signalen und zur präzisen Bahnbestimmung durch direkte GNSS-Signale dient.
3Cat	Die Cube-Cat (3Cat)-Mission ist eine kommerzielle Konstellation, die vom Polytechnischen Institut Kataloniens entwickelt wurde. 3Cat-2, das im August 2016 gestartet wurde, ist mit einem GNSS-R-Empfänger ausgestattet und soll Höhenkarten der Erde erstellen, die Informationen über die Windverhältnisse über dem Meer, die Entwaldung und die Bodenfeuchtigkeit enthalten.

Weitere Informationen:

GNSS-Reflektometrie (GFZ)
GNSS Reflectometry (eoPortal)