Radarsatelliten: Allwetterbeobachtungen „zeigen ihre Leistungsfähigkeit“

Kürzlich gab die American Meteorological Data Company bekannt, dass sie den Start von Dutzenden Radarsatelliten plant, um meteorologische Beobachtungsdaten in Echtzeit für Wettervorhersagen auf der ganzen Welt bereitzustellen und so die Möglichkeiten zur Wettervorhersage und -prognose zu verbessern. Wie wir alle wissen, handelt es sich bei den heute jedem bekannten Wettersatelliten um passive Fernerkundungssatelliten mit sichtbarem Licht und Infrarot. Warum müssen wir in einer Zeit, in der optische Wettersatelliten ihre Leistungsfähigkeit bereits unter Beweis gestellt haben, noch gezielt Radarsatelliten entwickeln?

Optische Fernerkundung ist mangelhaft

Unter den Erdfernerkundungssatelliten, die derzeit in Ländern auf der ganzen Welt entwickelt werden, sind optische Fernerkundungssatelliten der wichtigste Zweig, und alle Wettersatelliten nutzen die Technologie der optischen Fernerkundung. Heute kann die maximale Auflösung dieses Satellitentyps 0,1 Meter erreichen.

Diese „Augen“, die von Ländern auf der ganzen Welt am Himmel installiert wurden, ermöglichen den Menschen einen ungehinderten Blick auf die Erde aus dem Weltraum. Die Fernerkundung aus dem Weltraum bietet die Vorteile eines großen Beobachtungsbereichs, geringer Beobachtungskosten und umfangreicher Beobachtungsdaten, was das Verständnis der Menschheit für die Erde erheblich erweitert hat. Allerdings haben optische Fernerkundungssatelliten auch viele offensichtliche Nachteile. Alle optischen Fernerkundungssatelliten arbeiten passiv und die Bildgebung wird stark von den Lichtverhältnissen beeinflusst.

Ein Beispiel hierfür ist der herkömmliche Erdfernerkundungssatellit, der bei widrigen Wetterbedingungen wie Wolken, Nebel, Dunst, Regen, Schnee oder in dunkler Umgebung keine optimale Leistung erbringt. Mit anderen Worten: Auch wenn optische Fernerkundungssatelliten über eine hohe Leistungsfähigkeit verfügen, werden sie leicht von der Atmosphäre, insbesondere den Wetterbedingungen, beeinflusst und können nicht rund um die Uhr und zu jeder Zeit funktionieren.

Angesichts der Mängel optischer Fernerkundungssatelliten haben Forscher schon seit langem Pläne, diese zu beheben. Radargeräte tauchten bereits vor dem Zweiten Weltkrieg auf und entwickelten sich während des Zweiten Weltkriegs rasant weiter. In den 1950er Jahren wurde die Synthetic Aperture Radar-Technologie (SAR) vorgeschlagen und erfolgreich weiterentwickelt. Einfach ausgedrückt sendet es aktiv Radarwellen, um Ziele zu erkennen, und gleichzeitig überlagert und verarbeitet es durch die kontinuierliche Bewegung der Antenne mit kleiner Apertur die Amplitude und Phase des empfangenen Signals, wodurch die Antenne mit kleiner Apertur in eine Antenne mit großer Apertur virtualisiert wird und so eine hochpräzise Fernerkundung am Boden erreicht wird.

Das Synthetic Aperture Radar wurde in der Luftfernerkundung eingesetzt und entwickelte sich bald zu einem neuen Star in der Weltraumfernerkundung. Dieser Radarsatellitentyp ist in der Lage, rund um die Uhr und bei jedem Wetter Fernerkundungsdaten zu erfassen, wodurch er die Mängel optischer Fernerkundungssatelliten effektiv ausgleicht und in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Verteidigung breite Anwendung findet.

Radarsatelliten können rund um die Uhr arbeiten

Radarsatelliten verfügen über viele überlegene Fähigkeiten, die optische Satelliten nicht haben. Dies zeigt sich am deutlichsten in ihrer Fähigkeit, die Atmosphäre zu durchdringen und unabhängig von Wetterbedingungen wie Wolken, Nebel, Regen und Schnee stabile Bilder zu erzeugen. Sie verfügen zu jeder Tageszeit und bei jedem Wetter über Fernerkundungsfunktionen und auch die Nachtbildgebung ist ihre Stärke. Diese Vorteile haben es schnell zu einer der tragenden Säulen im Bereich der Fernerkundung in der Luft- und Raumfahrt gemacht.

Die Vorteile von Radarsatelliten beschränken sich nicht nur auf den Allwetterbetrieb. Im Vergleich zu optischen Fernerkundungssatelliten können die Radarwellen von Radarsatelliten Boden und Vegetation durchdringen. Mit anderen Worten, sie können unterirdische Ziele erkennen. Die Radarfernerkundung weist in verschiedenen Bändern unterschiedliche Eindringtiefen in den Boden auf. Durch die Fernerkundung mittels SAR-Radar-Satelliten in verschiedenen Bändern können auch die Oberflächeneigenschaften von Böden umgekehrt werden.

Darüber hinaus unterscheidet sich das Radarwellenband von Radarsatelliten stark vom sichtbaren Licht oder Infrarot optischer Satelliten und kann Fernerkundungsinformationen auf unterschiedlichen Ebenen reflektieren. Gleichzeitig können Radarbilder den Wassergehalt, den Salzgehalt sowie die Form- und Textureigenschaften von Bodenobjekten besser wiedergeben. In Kombination mit optischen Fernerkundungsdaten können sie die durch Fernerkundung erfassten Ziele besser beschreiben.

Darüber hinaus hängt die Auflösung der SAR-Radarbildgebung von der Größe der synthetischen Apertur ab, die Auflösung der Satellitenbildgebung ist unabhängig von der Orbitalhöhe und die Auflösung der optischen Fernerkundung ist umgekehrt proportional zur Orbitalhöhe: Je höher die Höhe, desto geringer die Auflösung. Radarsatelliten verfügen außerdem über Arbeitsmodi mit unterschiedlichen Strahlen, die die Bildgebung flexibler machen und höhere Auflösungsmöglichkeiten bieten.

Daher verfügen Radarfernerkundungssatelliten im Vergleich zu herkömmlichen optischen Fernerkundungssatelliten im sichtbaren Licht- und Infrarotbereich über unersetzliche Vorteile und spielen eine wichtige Rolle bei der Fernerkundung in der Luft- und Raumfahrt. Natürlich verfügen Radar-Fernerkundungssatelliten über ein langes Arbeitsband, die Auflösung von X-Band-SAR-Satelliten beträgt nur etwa 0,3 Meter und die Auflösung anderer häufig verwendeter Bänder ist sogar noch geringer. Der kombinierte Einsatz der beiden Satelliten wird bessere Ergebnisse bringen.

Auch im Bereich der Meteorologie werden mittlerweile Radarfernerkundungssatelliten eingesetzt. Traditionelle Wetterbeobachtungen sind eine Kombination aus optischen Wettersatelliten und bodengestützten Wetterradaren. Satelliten bieten zwar ein breites Spektrum an optischen Beobachtungsmöglichkeiten, ihre Auflösung ist jedoch zu niedrig und sie können die inneren Bedingungen nicht erfassen. Bodengestützte Wetterradare haben zwar eine begrenzte Reichweite, können aber Wolken durchdringen, um die inneren Strukturen verschiedener Wettersysteme zu erkennen und zu identifizieren. Der US-Satellit GPM beispielsweise verfügt über ein Zweifrequenz-Regenradar, das zuverlässig Taifune und Regenstürme überwachen und gleichzeitig den Niederschlag beobachten kann.

Radarsatelliten haben eine glänzende Zukunft

Obwohl Radarsatelliten bereits weit verbreitet sind, befindet sich ihre Entwicklung noch im Aufwind und wird in Zukunft noch weiter verbreitet sein und Anwendung finden.

Auch bei Radarsatelliten gibt es einen kontinuierlichen technologischen Fortschritt. Aufgrund der extrem breiten Bandeigenschaften von Radarwellen besteht ein wichtiger Trend in der SAR-Radartechnologie darin, die Beziehung zwischen den elektromagnetischen Eigenschaften von Bodenobjekten und der Frequenz von Radarwellen voll auszunutzen und elektromagnetische Wellen unterschiedlicher Frequenzen zum Erkennen von Zielen zu verwenden, um umfassendere Informationen zu erhalten. Bildlich gesprochen kann man dies als Radarfernerkundungs-Hyperspektraltechnologie bezeichnen.

Darüber hinaus führen unterschiedliche Polarisationsmodi der Radarfernerkundung auch zu unterschiedlichen Fernerkundungsbildern, was einer umfassenderen Zielerkennung förderlich ist. Heutzutage verfügt die SAR-Radartechnologie auch über eine Interferenztechnologie. Verschiedene Interferenzmethoden können außerdem Höhen- oder Geschwindigkeitsinformationen von Bodenzielen erfassen und die Mängel herkömmlicher SAR-Radarsatelliten beheben. Gleichzeitig wird auch der Strahlabbildungsmodus der SAR-Radartechnologie weiterentwickelt und bietet den Benutzern umfassendere Fernerkundungszielinformationen.

Optische Fernerkundungssatelliten entwickeln sich hin zu Mikrosatelliten, Satellitenformationen und Fernerkundungskonstellationen, dasselbe gilt für Radarsatelliten. Um die Wiederbesuchsperiode eines bestimmten Gebiets zu verkürzen, d. h. die zeitliche Auflösung zu verbessern, kann die Verwendung mehrerer Radarsatellitenkonstellationen die Abdeckungsdichte erheblich verbessern und die Wiederbesuchsperiode verkürzen.

Darüber hinaus ist die Zusammenarbeit mehrerer Satellitenformationen auch eine wichtige Richtung für die Entwicklung von Radarsatelliten. Bei der SAR-Radartechnologie handelt es sich um eine einzelne Satellitenradarantenne, die zu einer großen Antenne virtualisiert wird, und mehrere Satelliten bilden in der Umlaufbahn eine bestimmte Form, wodurch ein virtueller Satellit und eine virtuelle große Antenne entstehen. Es kann dieselben Funktionen und dieselbe Leistung zu geringeren Kosten bieten und große Radarfernerkundungssatelliten ersetzen.

Die neue Generation von Radarsatelliten, die von der American Meteorological Data Company entwickelt wurde, stellt die Weiterentwicklung von Radarsatelliten dar. Sie planen, den ersten Satelliten in der zweiten Hälfte des Jahres 2022 zu starten, gefolgt von einer Wettersatellitenkonstellation, die aus Dutzenden kleiner Radarsatelliten besteht.

Das Unternehmen erklärte, dass bodengestützte Wetterradare zwar Informationen zu Niederschlag und Wolkenstruktur für verschiedene Länder liefern, ihre Reichweite jedoch ihre Vorhersagefähigkeiten einschränkt. Auch die lange Wiederholfrequenz weltraumgestützter Radarsatelliten schränkt ihre Rolle ein. Die kleine Radar-Wettersatellitenkonstellation des Unternehmens soll eine stündliche Neubestimmung ermöglichen und so präzise und zeitnahe Wetterdaten für präzise Wettervorhersagen auf der ganzen Welt liefern. (Autor: Zhang Fan)