Det er til at observere Jorden og er designet til at overvinde faldgruber, der har plaget lignende instrumenter i fortiden.
Bogstaveligt talt mange år siden er den nye radiometer, der er designet til at måle intensiteten af elektromagnetisk stråling, specifikt mikrobølger, udstyret med et af de mest sofistikerede signalbehandlingssystemer, der nogensinde er udviklet til en jordvidenskabelig satellitmission. Dets udviklere ved NASA's Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Md., Sendte instrumentet til NASAs Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien, hvor teknikere vil integrere det i agenturets jordfugtighedsaktive passive rumfartøjer sammen med et syntetisk åbningsradarsystem udviklet af JPL.
Stolt af deres helt nye jordobserverende mikrobølgeradiometer ved NASAs Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien Kredit: NASA JPL / Corinne Gatto Kredit: NASA
Med de to instrumenter vil NASA-missionen globalt kortlægge jordens fugtighedsniveauer - data, der vil være til gavn for klimamodeller - når den starter operationen et par måneder efter lanceringen i slutningen af 2014. Navnlig vil dataene give forskerne mulighed for at skelne jordbunden fugtighedsniveauer, en afgørende måler til overvågning og forudsigelse af tørke og udfylde huller i forskernes forståelse af vandcyklussen. Det er også vigtigt, at det kan hjælpe med at knække et uopløst klimamysterium: placeringen af de steder i Jordsystemet, der lagrer kuldioxid.
År i skabelsen
Det tog flere år at opbygge den nye radiometer for at gennemføre og involverede udviklingen af avancerede algoritmer og et computersystem ombord, der var i stand til at knuse en strøm af data, der anslås til 192 millioner prøver i sekundet. På trods af udfordringerne mener teammedlemmer, at de har oprettet et avanceret instrument, som forventes at sejre over dataindsamlingsproblemerne, som mange andre jordobserverende instrumenter støder på.
Signalet modtaget af instrumentet vil have trængt ind i de fleste ikke-skov vegetation og andre barrierer for at samle det naturligt udsendte mikrobølgesignal, der indikerer tilstedeværelsen af fugt. Jo vådere jorden, jo koldere vil den se ud i dataene.
Instrumentets målinger inkluderer specielle funktioner, der giver forskere mulighed for at identificere og fjerne den uønskede "støj" forårsaget af radiofrekvensinterferens fra de mange jordbaserede tjenester, der opererer i nærheden af instrumentets mikrobølgefrekvensbånd. Den samme støj har forurenet nogle af målingerne, der er indsamlet af Det europæiske rumfartsorganisations jordfugtigheds- og havsaltindholdssatellit og til en vis grad NASA's Aquarius-satellit. Disse rumfartøjer fandt, at støjen var særligt udbredt over land.
”Dette er det første system i verden, der gør alt dette,” sagde instrumentforsker Jeff Piepmeier, der kom med konceptet på NASA Goddard.
Tuning til Jordens støj
Som alle radiometre “lytter” det lyd, der stammer fra en meget støjende planet.
Ligesom en radio er det specifikt indstillet til et bestemt frekvensbånd - 1,4 gigahertz eller "L-Band" - som Den Internationale Telekommunikationsunion i Genève, Schweiz, har afsat til radioastronomi og passive jordfølsomme applikationer på Jorden. Med andre ord kan brugere kun lytte til det "statiske", hvorfra de kan udlede fugtighedsdataene.
Trods forbuddet er bandet imidlertid langt fra uberørt. "Radiometere lytter til det ønskede signal i spektrumbåndet samt uønskede signaler, der ender i det samme bånd," sagde Damon Bradley, en NASA Goddard digital signalbehandlingsingeniør, der arbejdede med Piepmeier og andre for at skabe radiometerens avancerede signal -forarbejdningsmuligheder. Da operatører af SMOS hurtigt opdagede kort efter, at rumfartøjet blev lanceret i 2009, findes der bestemt uønsket støj i signalet.
Signaludslip fra nabospektrumbrugere - især flytrafikstyrede radarer, mobiltelefoner og andre kommunikationsenheder - forstyrrer mikrobølgesignalet, som brugerne ønsker at samle. Ligesom besværlig er interferensen forårsaget af radarsystemer og tv- og radiosendere, der overtræder International Telecommunication Union-reglerne.
Som et resultat indeholder de globale jordfugtighedskort, der genereres af SMOS-data undertiden tomme, dataløse patches. ”Radiofrekvensinterferens kan være intermitterende, tilfældig og uforudsigelig,” sagde Bradley. "Der er ikke meget, du kan gøre ved det."
Derfor vendte Bradley og andre på Piepmeiers team hen til teknologi.
Nye algoritmer implementeret
Dette er et kunstnerkoncept af NASA's Soil Moisture Active Passive mission. Kredit: NASA / JPL
I 2005 samarbejdede Bradley, Piepmeier og andre NASA Goddard-ingeniører med forskere ved University of Michigan og Ohio State University, som allerede havde oprettet algoritmer eller trinvise beregningsprocedurer til at afbøde radiointerferens. Sammen designede og testede de en sofistikeret radioelektronikradiometer, der kunne bruge disse algoritmer til at hjælpe forskere med at finde og fjerne uønskede radiosignaler, hvorved dataene nøjagtigt øges og reducere områder, hvor høje interferensniveauer ville hindre målingerne.
Konventionelle radiometre beskæftiger sig med udsving i mikrobølgeemissioner ved at måle signaleffekt over en bred båndbredde og integrere det over et langt tidsinterval for at få et gennemsnit. SMAP-radiometeret vil dog tage disse tidsintervaller og skive dem op i meget kortere tidsintervaller, hvilket gør det lettere at registrere de slyngelige, menneskeskabte RFI-signaler. "Ved at hugge signalet i tide, kan du smide det dårlige ud og give forskerne det gode," sagde Piepmeier.
Et andet trin i radiometerens udvikling var oprettelsen af en mere kraftfuld instrumentprocessor.Da den nuværende avancerede flyprocessor - RAD750 - ikke er i stand til at håndtere radiometerens forventede torrent af data, var teamet nødt til at udvikle et specialdesignet behandlingssystem med mere kraftfulde, strålingshærdede feltprogrammerbare gate-arrays, som er specialiserede applikationsspecifikke integrerede kredsløb. Disse kredsløb er i stand til at modstå det barske, strålingsrige miljø, der findes i rummet.
Holdet programmerede derefter disse kredsløb til at implementere University of Michigan-udviklede algoritmer som flyvesignalbehandlingshardware. Holdet erstattede også detektoren med en analog digital konverter og styrkede det overordnede system ved at oprette jordbaseret signalbehandlingssoftware for at fjerne interferens.
”SMAP har den mest avancerede digitale behandlingsbaserede radiometer, der nogensinde er bygget,” sagde Piepmeier. ”Det tog flere år at udvikle algoritmer, jordsoftware og hardware. Det, vi producerede, er den bedste L-båndradiometer til jordvidenskab. ”
via NASA