Arbetet har börjat med ett nytt CubeSat-uppdrag som för första gången kommer att demonstrera en ny, mycket lovande teknik för att mäta markfuktighet från rymden – data som är viktiga för tidiga översvämnings- och torkavarningar samt skördeprognoser.

Teknikdemonstrationsuppdraget, Möjlighetssignaler:P-bandsundersökning, kommer att validera en fjärranalysteknik som kallas möjlighetssignaler. Även om forskare har bevisat konceptet i markbaserade kampanjer, SnoOPI, som uppdraget också är känt, kommer att vara den första demonstrationen i omloppsbana när den sätts ut i en låg omloppsbana 2021.

I sista hand, forskare vill flyga en konstellation av små satelliter, alla använder samma teknik, att bestämma mängden vatten som lagras i snöpackning och vad som finns i jord i rotzonen — mätningar är inte möjliga med nuvarande rymdbaserad teknik.

För att samla in dessa uppgifter, SNoOPI kommer att fungera lite annorlunda än andra uppdrag. Istället för att generera och sända sina egna radiosignaler mot jorden och sedan analysera den returnerade signalen, den kommer att dra nytta av redan tillgängliga telekommunikationssignaler.

Specifikt, SNoOPI kommer att hämta P-bandets radiosignal, som är känslig för fuktnivåer, i sändningar från en telekommunikationssatellit som kretsar 22, 000 miles över jordens yta. Som med synligt ljus, dessa signaler träffar jorden, interagera med omgivningen, och bokstavligen studsa tillbaka ut i rymden där SNoOPI:s enda instrument ligger och väntar på att samla P-bandsfrekvensen. Genom att analysera de returnerade signalerna, forskare kan härleda fuktavläsningar.

Idealisk applikation

För SNoOPI-uppdraget, Tekniken för tillfällen-signaler är idealisk, sa Jeffrey Piepmeier, en av flera ingenjörer vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, involverad i uppdraget ledd av Purdue University Professor James Garrison. NASA:s in-space validering av geovetenskaplig teknologi, eller INVESTERA, programmet finansierar SNoOPI:s utveckling.

NASA:s markfuktighetsaktiva passiva, eller SMAP, uppdraget samlar för närvarande in fuktdata. Dock, istället för P-band, den använder en annan radiofrekvens – det högre frekvens L-bandet – för att kartlägga mängden vatten i de två översta tum av jord överallt på jordens yta. Dock, SMAP kan inte samla in fuktavläsningar på rotnivå. Den stöter också på svårigheter vid mätning av markfuktighet i skogs- och bergsområden.

Lägre frekvenser, som P-bandet, kan resa fyra gånger djupare ner i jorden eller snöpackningen, därigenom övervinner L-bandsbegränsningen. Men P-bandet har sina brister. Eftersom traditionella P-bandsinstrument är benägna för radiostörningar orsakade av signalspill från angränsande spektrumanvändare, de kräver en stor antenn för att aktivt sända och ta emot signaler för att erhålla tillräcklig rumslig upplösning.

Eftersom SNoOPI återanvänder redan existerande telekommunikationssignaler, den behöver ingen sändare. Vidare, telekommunikationssignalen SNoOPI i slutändan fångar efter att den studsar tillbaka ut i rymden är extremt kraftfull, eliminerar behovet av en stor antenn, Piepmeier förklarade.

"Signaleffektiviteten gör denna teknik mycket kostnadseffektiv, " sade Piepmeier. "Eftersom vi eliminerar behovet av en stor antenn, det möjliggör användning av tekniken på en CubeSat, som kan vara lika stor som en limpa."

Goddard och Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien, bygger SNoOPI:s instrument och en extern leverantör kommer att tillhandahålla CubeSat-bussen. Garnison, som tänkte ut P-bands signaler-of-opportunity-tekniken, hanterar det övergripande uppdragsutvecklingsarbetet.

Skulle tekniken visa sig effektiv i rymden, teamet tror att NASA kan flyga så många som nio små satelliter längs en polarbana för att bygga rotzonskartor som behövs av väderprognosmakare, vattenförvaltare, bönder, och kraftverksoperatörer.

Små satelliter, inklusive CubeSats, spelar en allt större roll i prospektering, teknik demonstration, vetenskaplig forskning och utbildningsundersökningar vid NASA, inklusive:planetarisk rymdutforskning; Jordobservationer; grundläggande jord- och rymdvetenskap; och utveckla vetenskapliga föregångare som banbrytande laserkommunikation, satellit-till-satellit-kommunikation och autonoma rörelseförmåga.