Synchronization and Formation Flying for Multistatic Synthetic Aperture Radar Systems

Synthetic Aperture Radar (SAR) ist ein zentrales Instrument in der Erdbeobachtung. Es liefert hochaufgelöste Bilder unabhängig von Tageszeit und Wetter und ermöglicht Anwendungen wie 2D- und 3D-Kartierung, sowie die Detektion von Veränderungen. Multistatisches SAR bezeichnet eine Konfiguration mit einem Radarsender und mehreren räumlich getrennten Empfängern auf unterschiedlichen Plattformen. Solche Systeme erlauben Einzelpass-Interferometrie und Tomographie und eignen sich damit besonders zur Höhenkartierung und der Charakterisierung von natürlichen Volumen, ohne zeitliche Dekorrelation und mit deutlich reduzierten atmosphärischen Effekten. ... mehrDarüber hinaus eröffnet multistatisches SAR neue Möglichkeiten für flexible und effiziente verteilte SAR-Systeme, in denen sich hochaufgelöste Geoinformationsprodukte durch die kombinierte Auswertung der Daten mehrerer kleiner Satelliten erzeugen lassen. Diese Vorteile machen multistatisches SAR zu einem dynamischen Forschungsfeld und zu einer wichtigen technologischen Entwicklungsrichtung für zukünftige SAR-Missionen. Die praktische Umsetzung wird jedoch durch zwei wesentliche technische Herausforderungen erschwert: die Phasensynchronisation zwischen den Satelliten und die Einhaltung strenger geometrischer Randbedingungen im Formationsflug. Diese Arbeit stellt neuartige Lösungsansätze und Methoden für beide Aspekte vor.

Die Phasensynchronisation wird notwendig, wenn die Radarsignale mit verschiedenen Oszillatoren moduliert und demoduliert werden. Dadurch entstehen unterschiedliche Phasendrifts, die die Nutzbarkeit der SAR Daten beeinträchtigen. In dieser Arbeit wird eine neuartige GNSS-basierte Synchronisationstechnik vorgeschlagen, die auf differentiellen Trägerphasenmessungen und einer präzisen Bestimmung der Basislinien beruht. Dabei teilen sich Radarnutzlast und GNSS-Empfänger denselben Master Oszillator. Die Methode kommt ohne dedizierte Verbindungen zwischen den Satelliten aus und erfordert keine wesentlichen Änderungen in der Prozessierungskette des Bodensegments. Tests unter Laborbedingungen zeigen, dass eine Genauigkeit von unter 2° im X-Band erreicht werden kann.

Formationsflüge stellen eine weitere große Herausforderung für weltraumgestützte multistatische SAR-Systeme dar, da sie häufig strikte Anforderungen an die relative Position der Satelliten bei nur begrenzter Manövrierfähigkeit erfüllen müssen. In dieser Arbeit wird ein neues allgemeines Design-Framework für erdbezogene SAR-Formationen entwickelt, das sowohl Lösungen in geschlossener Form unter Verwendung eines vereinfachten Modells, als auch eine iterative Methode unter Verwendung eines Propagators umfasst. Die Algorithmen wurden verwendet, um neuartige, treibstoffeffiziente Lösungen für Along-Track-Formationen mit minimalen Abweichungen in der Cross-Track- und Radial-Richtung, sowie Konfigurationen mit nahezu konstanten Cross-Track-Basislinien über lange Orbitabschnitte zu identifizieren, die fast die Hälfte der Erdoberfläche abdecken.

Synthetic Aperture Radar (SAR) is a fundamental Earth observation tool, offering high-resolution, day-and-night, and weather-independent images, enabling applications such as 2-D and 3-D mapping and change detection. Multistatic SAR is a configuration consisting of multiple radars deployed on separate platforms receiving the same signals. It enables single-pass interferometry and tomography, useful for elevation mapping and characterization of natural volumes without temporal decorrelation and reduced atmospheric distortions. It also offers the potential for flexible and efficient distributed SAR systems where data from multiple small satellites can be combined to deliver high-resolution imaging. ... mehr

These advantages make multistatic SAR a highly active research area and a key direction for the future of SAR technology. However, its implementation is hindered by two critical technical challenges: phase synchronization between satellites and formation flying under strict geometric constraints. This thesis proposes solutions and methods to address both challenges.

The need for phase synchronization arises when the radar carrier is modulated and demodulated using different oscillators, which leads to differential phase drifts that compromise the usability of the SAR data. This thesis proposes a novel GNSS-based synchronization technique using differential carrier-phase measurements and precise baseline determination, with the radar payload and the GNSS receiver sharing the same master oscillator. The technique requires no dedicated inter-satellite links nor major modifications to the ground segment processing chain. The method was validated in a laboratory environment, achieving in X band precision below 2°.

Formation flying poses another major challenge for spaceborne multistatic SAR due to stringent relative positioning requirements and limited satellite maneuverability. This thesis develops a new general design framework for the Earth-referenced SAR formations, including both closed-form solutions using a simplified model and an iterative method with a propagator in the loop. The algorithms were used to identify novel, fuel-efficient solutions for along-track formations with minimal cross-track and radial deviations, and configurations maintaining near-constant cross-track baselines over large orbital arcs, covering nearly half the globe.