Interferometric orbit determination for geosynchronous earth sensing missions
Authors:   , Nicolás Álvarez Jorge 
Published: February 2024

(English) Future Geosynchronous Synthetic Aperture Radar (GEOSAR) missions will provide permanent monitoring of continental areas of the planet with revisit times of less than 24 h. Several GEOSAR missions have been studied in the USA, Europe, and China with different applications, including water cycle monitoring and early warning of disasters. GEOSAR missions require unprecedented orbit determination precision in order to form focused SAR images from Geosynchronous Orbits (GEO). A precise orbit determination technique based on microwave interferometry is proposed.

An interferometric orbit determination system has been designed and implemented in order to acquire experimental phase observations from which the trajectory of the satellite can be estimated. The technique presents the capacity for tracking illuminators of opportunity, allowing interferometry to be tested without launching any new spacecraft. Multiple experimental campaigns are carried out using the signals of opportunity from the satellites of the Astra 19.2oE constellation.

Since the measurement sensitivity of the interferometer increases with the length of the baseline, a signal relay strategy is proposed in order to extend the baseline while keeping all the receivers together, sharing a common clock reference. The use of passive reflectors in the near field of the secondary receivers forms a compact interferometric baseline of 15~m. The interferometer uses correlation techniques to operate with arbitrary transmitted signals. The correlator's high processing gain allows the system to effectively track weak signals well below the noise level. Thus, some buildings found in the vicinity of the campus are used as reflectors of opportunity, providing a weak satellite signal scattered in the direction of the receiver antennas,
forming large interferometric baselines of up to 1200 m.

An error model is developed in order to estimate the expected orbit determination precision from a set of interferometric phase observations. It considers the most important perturbations affecting a microwave interferometer, such as the tropospheric and ionospheric perturbations, the transmission line errors, the system's temperature differences, the absolute phase ambiguity, and the uncertainty in the receivers positioning. This model allows to establish the requirements and to configure the settings of the tracking system according to the needs of the space mission under consideration.

The relative phases measured between the receivers are used to estimate the satellite position. The experimental results prove the technique is able to track GEOSAR satellites based on their transmitted signals. An interferometer with three baselines of 15m, 300 m, and 1200 m uses the shorter baseline to solve the absolute phase ambiguity and the longer ones to retrieve the trajectory of the satellite with precision. The resulting orbit determination error with respect to the true trajectory is estimated to be in the order of 400 m in an urban environment due to the uncertainty of the position of the distributed reflectors of opportunity.
The precision would improve substantially with the installation and precise geodetic location of dedicated metallic reflectors. This result cannot be confirmed due to the lack of an accurate ground truth, but it is consistent with the expected orbit determination precision computed with the error model.

Finally, the echoes resulting from the scattering of GEO satellite transmissions on the surrounding urban structures and mountains are processed in order to form SAR images of Barcelona. The images were formed with the estimated trajectory
information provided by the large baseline interferometric orbit determination system, proving their performance is valid for GEO remote sensing missions to form focused SAR images.
(Español) Las futuras misiones de radar geosíncrono de apertura sintética (GEOSAR) permitirán vigilar permanentemente zonas continentales del planeta con tiempos de revisita inferiores a 24 h. En Estados Unidos, Europa y China se han estudiado varias misiones GEOSAR con diferentes aplicaciones, como la vigilancia del ciclo del agua y la alerta temprana de catástrofes. Las misiones GEOSAR requieren una precisión de determinación orbital sin precedentes para obtener imágenes SAR enfocadas desde órbitas geosíncronas (GEO). Se propone una técnica de determinación orbital precisa basada en la interferometría de microondas.

Se ha diseñado e implementado un sistema interferométrico de determinación orbital para adquirir observaciones experimentales de fase a partir de las cuales estimar la trayectoria del satélite. La interferometría es capaz de seguir iluminadores de oportunidad, permitiendo evaluar la técnica sin necesidad de lanzar ningún satélite nuevo. Se han llevado a cabo varias campañas experimentales utilizando las señales de oportunidad de los satélites de la constelación Astra 19.2oE.

Dado que la sensibilidad de medida del interferómetro aumenta con la longitud de la línea de base, se propone una estrategia de retransmisión de señales con el fin de extender la línea de base manteniendo los receptores juntos para compartir una señal
de referencia común. El uso de reflectores pasivos en el campo cercano de los receptores secundarios forma una línea de base interferométrica compacta de 15 m. El interferómetro utiliza técnicas de correlación para operar con señales arbitrarias. La gran ganancia de procesamiento del correlador permite el seguimiento eficaz señales débiles, muy por debajo del nivel de ruido. Así, algunos edificios que se encuentran en las proximidades del campus se utilizan como reflectores de oportunidad, proporcionando una débil señal de satélite reflejada en dirección a las antenas receptoras, formando grandes líneas de base interferométricas de hasta 1200 m.

Se ha desarrollado un modelo de error para estimar la precisión esperada en la determinación de la órbita a partir de las observaciones interferométricas de fase. El modelo considera las perturbaciones más importantes que afectan a un interferómetro de microondas, como las perturbaciones troposféricas e ionosféricas, los errores de las líneas de transmisión, las diferencias de temperatura del sistema, la ambigüedad absoluta de fase y la incertidumbre en el posicionamiento de los receptores. Este modelo permite establecer los requisitos y configurar los ajustes del sistema de seguimiento orbital en función de las necesidades de la misión espacial a tener en cuenta.

Las fases relativas medidas entre los receptores se usan para estimar la posición del satélite. Los resultados experimentales demuestran que la técnica es capaz de seguir satélites GEOSAR basándose en las señales transmitidas. Un interferómetro con tres líneas de base de 15 m, 300 m y 1200 m usa la más corta para resolver la ambigüedad de fase y las más largas para estimar la órbita del satélite con precisión. El sistema presenta un error estimado con respecto a la trayectoria real del satélite
del orden de 400 m en un entorno urbano debido a la incertidumbre en la posición de los reflectores de oportunidad. La precisión mejoraría con la instalación y localización geodésica precisa de reflectores metálicos dedicados. Este resultado no puede ser confirmado debido a la falta de una referencia precisa, pero es coherente con la precisión de determinación orbital esperada calculada con el modelo de error.

Los ecos resultantes del reflejo de las transmisiones del satélite GEO en el área circundante se han procesado para formar imágenes SAR de Barcelona. Las imágenes se formaron con la información de la trayectoria estimada por el sistema interferométrico de línea de base larga, demostrando que es válido para que las futuras misiones de teledetección desde órbita GEO formen imágenes SAR enfocadas.