Synthetic Aperture Radar in Medium and Geosynchronous Earth Orbits: System Concepts and Analysis

Die zunehmende Verfügbarkeit von satellitengestützten Erdbeobachtungsdaten hat unser Verständnis physikalischer, chemischer und biologischer Prozesse auf der Erde erheblich verbessert. Dennoch gibt es weiterhin erhebliche Lücken in der kontinuierlichen Datenerfassung, insbesondere im Hinblick auf den fortschreitenden Klimawandel und die zunehmenden anthropogenen Einflüsse.

Zur Bewältigung zahlreicher aktueller Herausforderungen im Bereich der Geowissenschaften werden Erdbeobachtungsdaten mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung benötigt, damit auch sich schnell entwickelnde Prozesse auf der Erdoberfläche adäquat erfasst werden können. ... mehrDie aktive Mikrowellenfernerkundung spielt hierbei eine zentrale Rolle, steht jedoch vor der Herausforderung, einen Kompromiss zwischen zeitlicher Wiederholung, räumlicher Auflösung und Abdeckung zu finden. So ermöglichen Scatterometer eine tägliche globale Beobachtung mit grober räumlicher Auflösung (in der Größenordnung von mehreren zehn Kilometern), während weltraumgestützte Radarsysteme mit synthetischer Apertur (engl. SAR - Synthetic Aperture Radar) hochauflösende Bilder (im Meterbereich) liefern, allerdings mit längeren Wiederholraten, die in der Regel mehr als zehn Tage betragen. SAR-Konstellationen können die Wiederholperioden auf wenige Tage verringern, erfordern jedoch im Low Earth Orbit (LEO) eine hohe Anzahl von Satelliten für eine großflächige Abdeckung.

Satelliten in Medium Earth Orbits (MEOs) und geosynchronen Earth Orbits (GEOs) bieten eine vielversprechende Alternative, um die bestehenden räumlichen und zeitlichen Abtastlücken entweder global oder zumindest für größere geographische Regionen zu schließen. In diesen Orbithöhen kann ein einziger Satellit die gesamte Erde in einem Rhythmus von wenigen Tagen erfassen oder regionale Gebiete–etwa Länder, Kontinente oder Ozeane–mehrmals täglich abbilden. Diese Fähigkeiten machen höher fliegende SAR-Plattformen zu guten Kandidaten für zukünftige wissenschaftliche Missionen, einschließlich solcher mit interferometrischen Anforderungen.

Diese Dissertation bietet eine umfassende quantitative Analyse von SAR-Missionen in höheren Orbits und beleuchtet zentrale Kompromisse
zwischen den verschiedenen Missionsaspekten. Die detaillierten Analysen zeigen neue operative Möglichkeiten und Anwendungsbereiche auf, die durch MEO- und GEO-Konfigurationen ermöglicht werden. Beispiele sind die globale dreidimensionale Deformationsmessung mit einem einzigen MEO-Satelliten in rund 6.000 km Höhe und die mehrfach tägliche Abbildung Europas aus etwa 20.000 km Höhe. Entgegen gängiger Annahmen zeigt die Analyse, dass solche hochfliegenden Satellitenmissionen mit aktuellen Technologien realisiert werden können und kritische Erdbeobachtungsdaten mit (i) kontinentaler bis globaler Abdeckung, (ii) hoher zeitlicher Wiederholrate und (iii) moderater räumlicher Auflösung im Bereich von Dutzenden von Metern liefern können.

In dieser Dissertation werden zwei MEO-SAR-Missionskonzepte vorgeschlagen, die für ein globales und regionales Aufnahmeszenario mit möglichst kurzen Wiederholraten optimiert sind, sowie ein neuartiges Konzept für geosynchrone Orbits, das täglich mehrere interferometrische SAR-Akquisitionen ermöglicht. Darüber hinaus wird ein neues Modell zum Design von Akquisitionsszenarien für GEO-SAR-Missionen vorgestellt. Ein speziell entwickeltes Vergleichsmodell ermöglicht es, die relative Komplexität von SAR-Missionen in hohen Orbits gegenüber äquivalenten monostatischen LEO-SAR-Konstellationen zu bewerten. Dieser Vergleich wird durch beispielhafte Missionskonzepte und Strategien für die optimale Verteilung der LEO-Satelliten unterstützt.

The increasing availability of Earth observation (EO) data from space has significantly advanced our understanding of Earth’s physical, chemical, and biological systems. However, significant gaps remain as climate change and anthropogenic pressures intensify.

Addressing many of today’s pressing Earth science challenges requires EO data with high temporal and spatial sampling to effectively capture rapidly evolving processes. Microwave remote sensing instruments are central to this effort but face trade-offs among temporal revisit, spatial coverage, and spatial resolution. ... mehrFor instance, scatterometers offer daily global observations with coarse spatial resolution (on the order of tens of kilometers), while synthetic aperture radar (SAR) systems provide high-resolution imagery (meter-scale) but with longer revisit times typically exceeding ten days. SAR constellations help improve revisit times to a few days, but require large constellations in low Earth orbits (LEOs) for large-scale coverage.

Medium Earth orbits (MEOs) and geosynchronous orbits (GEOs) offer a compelling alternative to address the spatio-temporal sampling gap for frequent revisit over large geographic regions. SAR missions at these altitudes enable a single spacecraft to deliver global coverage on a multi-daily basis and regional coverage---such as countries, continents, or oceans---on a sub-daily basis. These capabilities make high-altitude SAR platforms good candidates for future scientific missions, including those with interferometric requirements.

This dissertation provides an in-depth quantitative analysis of SAR missions in higher orbits, emphasizing critical trade-offs among mission aspects. These trade-offs reveal new operational opportunities and application domains uniquely enabled by monostatic MEO and GEO configurations. Examples include global 3-D deformation monitoring using a single MEO spacecraft at approximately 6000 km altitude and sub-daily coverage of Europe from around 20000 km. Contrary to prior assumptions, the analysis demonstrates that current technologies can support such high-altitude missions, delivering critical EO data with (i) continental to global coverage, (ii) frequent temporal revisit, and (iii) moderate spatial resolution on the order of tens of meters.

This dissertation proposes two MEO-SAR mission concepts optimized for multi-daily and sub-daily revisit, along with a novel geosynchronous orbit concept for sub-daily interferometric acquisitions. It also introduces a framework for designing observation scenarios for GEO-SAR missions. Furthermore, it develops a comparative framework for evaluating the relative complexity of high-orbit SAR missions and their equivalent monostatic LEO-SAR constellations, supported by distribution strategies and illustrative mission concepts.