Je leest:

Rapids, een satellietschotel op een karretje

Rapids, een satellietschotel op een karretje

Auteur: | 1 december 2000

Vanaf een simpel aanhangertje met een schotel erop plukt het Nederlandse Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium satellietinformatie uit de lucht. Het systeem bewijst zijn nut op de Nederlandse landbouwgrond, maar ook tussen de overstromingen in Bangladesh.

Om 12 uur 47 komt de radarsatelliet binnen bereik. Remote sensing engineer Bob Moll brengt op de eerste verdieping van het Remote Sensing-laboratorium van het Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium in Marknesse de ontvanger in gereedheid. Op zijn bureau staan drie huis-tuin-en-keuken-pc’s. Door het raam loopt een snoertje naar buiten, waarmee de drie pc’s in verbinding staan met een aanhangertje dat een bijna drie meter grote satellietschotel draagt. Na een paar toetsaanslagen richt de schotel zich naar het noorden, waar de radarsatelliet ERS-2 over een paar minuten boven de horizon zal verschijnen.

Een schotel op een karretje. RAPIDS is een mobiel satelliet-ontvangststation en beeldbewerkingssysteem in één. Het levert waar ook ter wereld tegen geringe kosten actuele satellietbeelden.

Precies volgens schema vliegt op een van de beeldschermen plotseling de sterkte van het richtsignaal omhoog. De besturing fixeert de schotel in een paar seconden op het signaal van de satelliet en de ontvangst is begonnen. Met enkele tientallen megabytes per seconde stroomt een beeld van Nederland binnen. In één vloeiende beweging draait de schotel met het onzichtbare stipje op achthonderd kilometer hoogte mee. Door deze relatief lage omloopbaan verdwijnt de radarsatelliet binnen enkele minuten uit zicht, en is hier beneden de harde schijf bijna vol.

Het aanhangertje, de schotel en de drie pc’s gaan samen onder de naam RAPIDS door het leven: een Real-time Acquisition and Processing Integrated Data System. Het is een ontvangststation speciaal ontworpen om signalen van remote-sensingsatellieten uit de lucht te plukken. Dergelijke satellieten tasten de aardbol af en braken hun bevindingen uit in grote datastromen. Vaste grondstations pikken die gegevens met grote schotels uit de lucht.

Klein en overal inzetbaar

RAPIDS verschilt vooral in afmeting en prijs van de gebruikelijke satellietgrondstations. Klein genoeg voor montage op een aanhanger is RAPIDS overal inzetbaar, waarmee het hele klassieke distributietraject wordt omzeild.

Wie voor satellietdata van de grote vaste grondstations afhankelijk is, moet vóórdat de plaatjes op zijn computer staan, eerst de betreffende bestanden opvragen en op schijf laten toesturen of door een datalijn binnenhalen. Afgezien van het tijdrovende karakter van die tussenstap bestaat ook nog de mogelijkheid dat het vaste grondstation nou net in dat ene buurland staat waarmee de politieke betrekkingen van dusdanige aard zijn dat de gegevens niet of met grote vertraging binnenkomen – alsof hulpverleners bij een overstroming dáárop gaan zitten wachten.

De gebruikelijke vaste satellietgrondstations kunnen met grote (en dus prijzige) schotels data binnenhalen van ververwijderde, laagstaande satellieten: hun dekking loopt van horizon tot horizon, zodat één grondstation een enorm gebied bestrijkt. Zo niet RAPIDS. Het kleine schoteltje haalt alleen voldoende signaal binnen als de satelliet zich hoger dan 45° boven de horizon bevindt. Dat is niet erg, want RAPIDS is specifiek bedoeld voor lokale, projectmatige data-acquisitie. ‘Lokaal’ is een rekbaar begrip, want afhankelijk van de omstandigheden kan de straal van de dekking nog best oplopen tot 750 km. Vanuit de Noord-Oostpolder kijken we vandaag tot ver in België en Denemarken.

De Frans-Belgisch-Zweedse SPOT-satelliet levert met een resolutie van tien bij tien meter gedetailleerde beelden. Elke 26 dagen wordt ieder plekje op de aarde minstens eenmaal door elke SPOT-satelliet gefotografeerd – zo ook de Amsterdamse binnenstad, inclusief het redactionele dakterras van Natuurwetenschap & Techniek.

RAPIDS is zo eenvoudig mogelijk opgebouwd. Gebruik van gangbare standaardcomponenten maakt reparatie of vervanging van onderdelen makkelijk. Toen ratten in Bangladesh kabels hadden doorgeknaagd of toen een chip was doorgebrand, was het systeem toch binnen een halve dag weer operationeel. Veel kan er dan ook niet aan kapot gaan. Een simpel hydraulisch systeem positioneert de schotel; om veel meer dan een oliepomp, een paar elektronisch gestuurde kleppen en de aandrijfeenheden van de schotel gaat het niet. Op de schotel van RAPIDS staan twee ontvangers gemonteerd. Een viertal antenne-elementen op de 2,2 GHz-band zorgt ervoor dat de schotel het tracking-signaal van de satelliet volgt, een tweede antenne-element haalt op de 8 GHz-band de data binnen.

Beeldverwerking

Het hele systeem loopt op drie eenvoudige standaard-pc’s. De eenvoud geldt ook het gebruikte besturingssysteem. Alhoewel de gebruikersinterface nog wat verbetering behoeft, is wel bewust voor MS-DOS gekozen. Windows heeft het op de achtergrond altijd veel te druk met andere taken, terwijl die processorcapaciteit bij de enorme binnenkomende satellietdatastroom juist veel te hard nodig is. De verdere beeldverwerking en interpretatie vindt wel op een Windows-pc plaats. Als de data eenmaal op de harde schijf staan, tover je de zojuist binnengehaalde afbeelding met een paar muisklikken tevoorschijn.

Rapids kan op dit moment signalen ontvangen van ERS-2 en de SPOT-satellieten. In 2002 komt daar de Envisat-satelliet nog bij. Van links naar rechts: ERS-1 en 2. Type satelliet: SAS-radar. Eigenaar: ESA. Status: ERS-1 niet meer operationeel. ERS-2 nog wel. Grondresolutie: 30 × 30 meter. Ruimtelijke dekking: 100 km brede band. Toepassingen: Oliedetectie, overstromingen, bosbouw, landbouw, SAR-interferometrie (vulkanen, aardbevingen), genereren hoogtemodellen. SPOT 1 t/m 4. Type satelliet: visueel en nabij rood. Eigenaar: Spotimage / CNES. Status: Spot 3 niet meer operationeel, andere wel. Grondresolutie: 10 × 10 meter. Ruimtelijke dekking: 2 × 60 km breda band voor elk van de drie satellieten. Toepassingen: Landbouw, productie kaarten op grove schaal, genereren hoogtemodellen. Envisat. Type satelliet: SAR-radar. Eigenaar: ESA. Status: Geplande lanceerdatum herfst 2001, operationeel begin 2002. Grondresolutie: 30 × 30 meter. Ruimtelijke dekking: 56-400 km brede band. Toepassingen: Oliedetectie, overstromingen, bosbouw, landbouw, SAR-interferometrie (vulkanen, aardbevingen), genereren hoogtemodellen.

Op dit moment kan RAPIDS signalen van ERS-2 en de SPOT-satellieten ontvangen, in 2002 komt daar nog de nieuwe ENVISAT-satelliet bij. RAPIDS heeft hiermee zowel toegang tot radarbeelden als gewone afbeeldingen in het zichtbare bereik. De SPOT-satellieten zijn aardobservatiesatellieten die de Franse overheid in samenwerking met België en Zweden runt. Er zijn er nu vier gelanceerd; de vijfde Satellite Probatoire d’Observation de la Terre moet in 2002 omhooggaan. Met een oplossend vermogen van tien bij tien meter levert SPOT voldoende nauwkeurige data om ook aan gedetailleerde cartografische behoeften tegemoet te komen. De SPOT-satellieten functioneren met een passief sensorsysteem, dat alleen de straling waarneemt die het grondoppervlak uitzendt of reflecteert.

Het in SPOT toegepaste sensorsysteem is gevoelig voor het zichtbare en nabij-infrarode gebied, met golflengten tussen de 500 en 1750 nm. Voor veel toepassingen is dit ruim voldoende, maar gebruik van andere golflengtebereiken, zoals het radargebied (golflengten van 3 tot 30 cm) kan een hoop aanvullende gegevens opleveren. Satellieten die in dit golflengtegebied opereren, beschikken over een actief waarnemingssysteem: de satelliet zendt zelf radarpulsen naar beneden en vangt de gereflecteerde signalen op.

De European Remote Sensing Satellite ERS-2 is zo’n radarsatelliet. Voor radargolven vormt bewolking geen belemmering, en omdat het actieve sensorsysteem bij wijze van spreken voor zijn eigen verlichting zorgt, kan een radarsatelliet 24 uur per etmaal onafhankelijk van de weerscondities waarnemingen verrichten. ERS-1 is inmiddels niet meer actief. De opvolger van ERS-2, ENVISAT, wordt in de herfst van 2001 gelanceerd.

Ook de fase

Wie een radarsatellietbeeld bekijkt, ziet de wereld letterlijk door een andere bril. Oppervlakken hebben andere kleuren omdat ze niet alle golflengten licht even sterk reflecteren. Zo ook reflecteert niet ieder soort oppervlak radargolven in dezelfde mate. Radarsatellieten kunnen echter meer informatie leveren dan alleen een radarreflectieplaatje, door ook van de fase van de golf gebruik te maken. De techniek hiervoor is SAR-interferometrie.

SAR staat voor Synthetic Aperture Radar. SAR-interferometrie is een handige methode om uit gewone radardata verrassend gedetailleerde afbeeldingen te destilleren. Hierbij speelt de fase van de teruggekaatste radarpuls de hoofdrol. Omdat de satelliet beweegt, valt het faseverschil tussen twee opeenvolgende pulsen tot uiterst nauwkeurige hoogtegegevens om te rekenen.

Door met enige regelmaat waarnemingen te doen van hetzelfde gebied, is het zelfs mogelijk om vanaf een hoogte van achthonderd kilometer verticale bodembewegingen op millimeterschaal te volgen. Daarmee kun je dus een gletsjer zíen bewegen. Geologen maken live-registraties van bewegingen langs breukvlakken of zwellende vulkanen op millimeterschaal. Ook sneller bewegende objecten hebben zo hun eigen radarsignatuur: twee radarwaarnemingen enkele milliseconden na elkaar verklappen de snelheid en de bewegingsrichting van het betreffende object (een voertuig, maar ook bijvoorbeeld oceaanstromingen).

Door twee opeenvolgende radarbeelden van het Caribische vulkaaneiland Montserrat te combineren, ontstaat een lijnpatroon dat duidelijk het zwellen van de vulkaan weergeeft. Iedere lijn (fringe) komt overeen met een hoogteverschil van een halve radargolflengte. De golflengte is 3 cm, een fringe geeft dus een hoogteverschil weer tussen beide opnamen van 1,5 cm.

Dat je voor remote-sensing-grondstations vele tientallen miljoenen euro nodig hebt, is een fabeltje. Een RAPIDS-aanhangertje gaat inclusief een container met de drie pc’s en besturings- en beeldverwerkingsprogrammatuur voor nog geen half miljoen euro over de toonbank.

Tot voor kort was voor voldoende signaalsterkte nog een schotel van minstens acht meter nodig, maar dankzij de verbeterde ontvangstmodules lukt datzelfde nu met een schotel van 2,7 meter diameter – en daarmee is RAPIDS klein genoeg om de openbare weg op te mogen. Het karretje past ook probleemloos in de laadruimte van een gangbaar vliegtuig, waarmee real-time remote sensing overal ter wereld voor weinig geld beschikbaar komt, ook in spoedgevallen.

Op transport

Het systeem is de experimentele fase langzaam ontgroeid. Momenteel reist het de hele wereld af voor demonstratieprojecten. Naast Bangladesh en Indonesië kreeg ook het Caribische vulkaaneiland Montserrat begin dit jaar bezoek van een RAPIDS-systeem. Dit eiland valt buiten de dekking van andere stations, dus hier kwam het mobiele karakter goed van pas. SAR-interferometrie maakte hier het zwellen van de vulkaan zichtbaar, om zo mogelijk een aanstaande eruptie te voorspellen.

In september van dit jaar ging een RAPIDS-systeem op transport naar Bulgarije, waar het onder meer werd ingezet voor bosmonitoring, classificatie van het landgebruik, monitoring van olievervuiling in de Zwarte Zee en voor regionaal militair gebruik ter ondersteuning van de crisisbeheersing op de Balkan.

In Nederland maakt de Wageningse firma Synoptics al gebruik van SPOT- en ERS-data die via RAPIDS binnenkomt. Synoptics maakt jaarlijks op basis van deze data een bodemgebruikkaart, waarop per perceel staat aangegeven wat voor gewas er groeit. Voor het controleren van landbouwsubsidies, de naleving van het lozingenbesluit, of voor de evaluatie van waterbeheervraagstukken ligt de benodigde informatie zo binnen handbereik.

Hier bij het Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium in Marknesse krijgen we om 12 uur 51 de olievlekken op de Noordzee binnen. Door het opvallende verschil in radarreflectie steken de langwerpige oliesporen duidelijk af. Zo betrap je slordige schippers op honderden kilometers afstand, zelfs middenin de polder met een eenvoudig aanhangertje.

Dit artikel verscheen in Natuurwetenschap en Techniek, jaargang 2000, nummer 12.

Meer over ERS en ENVISAT in een ander Kennislinkartikel uit Natuurwetenschap en Techniek:

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 december 2000

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.