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Elaborare nuove mappe della Terra dai segnali dei satelliti di navigazione riflessi

Il tuo telefono o ricevitore satellitare rileva regolarmente i segnali dai satelliti di navigazione per dirti esattamente dove ti trovi. Ma hai mai pensato cosa succederà dopo a quei segnali? Un inventore lungimirante dell'ESA ha avuto l'idea di usarli come strumento per osservare la Terra. Più di 120 satelliti per la navigazione satellitare sono in orbita, di molteplici costellazioni tra cui il sistema europeo Galileo, inviando una pioggia continua di segnali satellitari a beneficio degli utenti di tutto il mondo. Proprio come la luce visibile, questi segnali a microonde continuano a riflettersi sulla superficie terrestre e marina. L'atteggiamento tradizionale nei confronti di questi segnali riflessi è di vederli come qualcosa di fastidioso, noto come multipath, che possono confondere i ricevitori satellitari e ridurne l'accuratezza complessiva.

Ma nel 1993, mentre il sistema satellitare USA GPS raggiungeva la sua intera costellazione di 24 satelliti, un giovane ingegnere di microonde dell'ESA chiamato Manuel Martín-Neira ha avuto l'idea di trattare queste riflessioni satellitari come una risorsa scientifica.

L'idea di base di ciò che Manuel ha battezzato il sistema di riflettometria e interferometria passiva, o PARIS, si basa su un'antenna a due lati. Mentre il lato più alto raccoglie un segnale satellitare dai satelliti in orbita, l'altro lato raccoglie la versione del segnale rimbalzato indietro dalla Terra.

Confrontando questo segnale ambientale iniziale con il suo equivalente riflesso usando un processo chiamato interferometria - che misura minuscole differenze nelle fasi del segnale - è possibile determinare il tempo di percorrenza extra di questo raggio riflesso, fino a una precisione inferiore a cinque centimetri, determinando l'altezza del mare e lo spessore del ghiaccio marino.

L'elaborazione aggiuntiva della forma e ampiezza dell'onda può fornire ulteriori dati sulla misurazione del vento e delle onde sull'oceano e sull'umidità del suolo e della biomassa sulla terra.

La riflettometria satellitare da allora è diventata un campo fiorente. Quest'estate, Manuel ha partecipato all'ultimo seminario internazionale sul metodo ideato per la prima volta 26 anni fa.
Nel 2003, il satellite UK-DMC ha pilotato la prima missione di un payload di riflettometria, seguito negli ultimi anni, ad esempio, dal TechDemoSat-1 del Regno Unito, la costellazione CyGNSS della NASA per monitorare gli uragani e la costellazione globale di Spire di nanosatelliti commerciali.

Questi satelliti hanno davvero fornito alla comunità di riflettometria una vasta gamma di segnali, dimostrando che aspetto hanno i riflessi su diverse superfici tra cui ghiaccio marino, foreste e persino corpi idrici interni come il Rio delle Amazzoni e i suoi affluenti. In parti dell'oceano vicino alle masse continentali e all'interno degli atolli stiamo vedendo segnali riflessi da acque molto calme che assomigliano a uno specchio, dandoci una precisione molto elevata fino a 1 cm di livello. Tali misurazioni potrebbero potenzialmente integrare le attuali missioni di altimetria, ad esempio misurando l'innalzamento del livello del mare.

Nel frattempo, l'ESA è attiva sulla riflettometria in vari modi, avendo sviluppato e testato un'antenna aerea orientabile denominata Software PARIS Interferometric Receiver o SPIR, in grado di dirigere fasci di antenna separati per creare un rapido quadro di superficie e differenziare tra diverse fonti di segnale, come GPS di Galileo.

Il Centro di supporto scientifico GNSS dell'ESA, con sede presso il Centro europeo di astronomia spaziale dell'Agenzia vicino a Madrid, si sta interessando molto a queste attività.

Sono inoltre in fase di sviluppo le missioni, tra cui un CubeSat dedicato con RUAG-Austria e l'Università di Graz chiamato PRETTY (per Passive REflecTome Try e dosimetria, che porterebbe anche un rilevatore di radiazioni), e una piccola coppia di satelliti chiamata FSSCat della Universitat Politècnica de Catalunya spagnola, sostenuto dalla competizione Copernicus Masters, visto come un prototipo per una futura costellazione di riflettometria.

La direzione delle telecomunicazioni e delle applicazioni integrate dell'ESA sta inoltre collaborando con la compagnia Spire per pilotare strumenti di riflettometria potenziati, a partire dalla fine di quest'anno.

Manuel oggi ricorda il brevetto della sua idea come un punto di svolta: "Avendo avuto questa idea, che non è stata particolarmente ben accolta, la proposta del Gruppo brevetti dell'ESA ha fatto la differenza. Mi ha dato una sensazione di fiducia, che mostrò a qualcun altro il potenziale di questa idea - e il resto è storia. "


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