Participation du CESBIO aux activités de la recette en vol de SMOS

SMOS : la recette en vol est sur la bonne voie depuis le lancement réussi du satellite, le 2 Novembre, 2009.

Après un positionnement très précis par le lanceur, un déploiement réussi des bras de la charge utile et le réglage fin de l'orbite, la première période a été consacrée au bus de la plate-forme PROTEUS. L’examen complet des capacités de la plateforme est en cours, après que l'instrument ait été allumé le 17 Novembre 2009, la mise en service proprement dite a débuté.

Après une vérification complète de la santé fonctionnelle de tous les modes d'acquisition et d'étalonnage, la caractérisation de l’instrument a commencé en séquences, chacune de ces séquences produisant une amélioration de la qualité des données.

Les seules préoccupations ont concerné un des l'oscillateurs qui a dû être éteint et placé en sauvegarde, nous notons également une forte présence de RFI dans certaines régions spécifiques.

La situation actuelle est que l'instrument se comporte mieux que prévu et des études sont entamées pour atténuer l'impact de RFI.

Pour en savoir davantage, les détails en temps réel sur la recette en vol sont publiées sur le blog : SMOS_blog.

Participation du CESBIO aux activités du Centre Aval de Traitement et des Données SMOS (CATDS)

Le centre de traitement des données de niveaux 3 et 4 SMOS (CATDS) comprend : le centre de production et de dissémination des données (l’IFREMER de Brest) le centre d’expertise « humidité des sols » (le CESBIO de Toulouse) le  centre d’expertise « salinité des océans » (l’IFREMER de Brest )

télécharger les logos CATDS

Le CNES est  responsable du développement du CATDS, ce centre est dédié à :

• la production et la distribution des produits SMOS de niveaux L3/L4
• le re-traitement des produits SMOS de niveaux L3/L4 lorsque celà est necessaire
• le développement, le test et la validation des chaines de traitement SMOS L3/L4 , en étroite collaboration avec la communauté scientifique.

Interfaces

♦ Data Processing Ground Segment (DPGS) = Centre ESA de production des données de niveau L1
♦ Utilisateurs :

• réponse aux demandes de service et d'information
• Reception des données de niveau L3/L4 (network and media) et services

♦ Fournisseurs de données auxilliaires, le fournisseur principal est l'European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF);
♦La communauté scientifique : elle fournit des expertises (avec les moyens fournis par le centre d'expertise (C-EC) :

• maquettes (tests algorithmes)
• specifications du "algorithm theoritical baseline document" (ATBD)
• tests et evaluations des données SMOS au C-EC

♦ C-PDC / C-EC : les centres d’expertise et de production.

Les industriels impliqués dans le développement du CATDS :

- Architecture système : groupement ATOS Origin – GFI Informatique
- Chaîne de traitement : consortium CAP-Gemini Sud et ACRI-ST

Caractéristiques de la mission          

Le capteur proposé est basé sur un radiomètre interférométrique en bande L (micro-ondes passives, 1.4GHz) avec une résolution spatiale moyenne de 43 km (30 à 50 selon l'angle de visée) et une répétitivité de 3 jours à l'équateur (orbites ascendantes seulement). Le concept instrumental est très original (VLBI des astrophysiciens) et a bénéficié de l'expérience acquise dans le cadre de la réalisation d'une version aéroportée MIRAS (pour la préparation de la mission de l'ESA). Le capteur peut être embarqué sur une plate-forme de mini-satellite de type PROTEUS.

La mission SMOS n'a pour le moment pas de concurrent déclaré, les projets ISIS (NASA), HYDROSTAR (NASA) et MIRAS (ESA) n'étant pas sélectionnés. Les équipes américaines soutiennent ainsi fortement le projet SMOS.

Actuellement, deux projets sont en préparation pour être soumis à la NASA:
1. Aquarius qui vise à mesurer la salinité des océans avec une précision de 0.2 PSU sur des pavés de 200X200 km tous les 10 jours (la répétitivité du satellite est de 8 jours avec une fauchée de 300 km et une résolution de 100 km)
2. HYDROS qui vise à fournir l'humidité de surface avec une répétitivité de 3 jours et une résolution de 40 km pour une précision de 4% vol.

Ces deux projets reposent sur un radiomètre en bande L et un système actif également en bande L. En comparaison, SMOS vise à fournir à la fois la salinité de surface (0.1 PSU sur 200x 200 km tous les dix jours), l'humidité superficielle (4% vol tous les 3 jours avec une resolution moyenne de 43 km). L'originalité de SMOS repose sur l'utilisation de la mesure directionnelle pour extraire également le contenu en eau de la végétation.        

Processeur Niveau 2

Le " Soil Moisture Expert Support Laboratories" (ESL) - est formé de 5 laboratoires différents :

1 le groupe LI avec le CESBIO et l' IPSL SA
2 L'Université de Rome
3 L'Université de Reading
4 L' INRA EPHYSEde Bordeaux

ces laboratoires ont été sélectionnés par l'Agence Spatiale Européenne ((ASE) pour développer le processeur de niveau 2 avec la société Array Systems (Canada)

L'objectif est de fournir trois éléments importants pour le développement du niveau 2 du processeur SMOS. Ces éléments sont :

le document décrivant les bases théoriques des algorithmes (atbd);
un plan de validation de ces algorithmes, et;
la génération et le conditionnement des données auxilliaires.

Dans ce but, nous avons rassemblé les expertises afin d'assurer un transfer de connaissance efficace vers les l'industriels sélectionnés de façon indépendante par l'Agence Spatiale Européenne (ESA).

SMOS level 2 Processor for Soil Moisture ATBD (Algorithm Theoretical Based Document) Prepared by the Expert Support Laboratories CESBIO, IPSL-Service d’Aéronomie,INRA-EPHYSE, Reading University, Tor Vergata University For Array Systems Computing Inc. Issue 3.a   Date 05/12/2007
SMOS level 2 processor Soil moisture ATBD (31/08/2006)
SMOS level 2 processor for soil moisture - Algorithm Theoretical Based Document (ATBD) - Prepared by the Expert Support Laboratories (15/03/2006)
Algorithm Theoretical Based Document (ATBD) Date: 15/01/2006
SMOS SSS L2 ATBD (Draft issue 4, 3 Oct.. 2005)
"coordinated answer to the scientific contribution to the SMOS soil moisture prototype processor development" Date 29/09/2004

L band Radiometer for Estimating Water In Soils " (LEWIS)

Pour la préparation de la mission SMOS il est necéssaire de valider les estimations de l'humidité du sol en zone racinaire. Pour cela l'instrument "L band Radiometer for Estimatingring Water In Soils " ( LEWIS) a été concu, développé et testé.
Grâce à la mesure de températures de brillance, nous pouvons :
- étudier l'humidité des sols lors d'événements météorologique ponctuels comme le gel, la rosée....
- tester et évaluer les algorithmes utilisé pour estimer l'humidité en surface et en profondeur.

Pour celà un site près de Toulouse à été équipé sur deux types de surfaces (sol nu et sol herbacé).

Une structure porteuse a été construite avec un système de pointageet d'acquisition de données pour porter le radiomètre en bande L. Après une période de test le système est opérationnel. LEWIS"L band Radiometer
High Quality Ground based radiometer1.4 GHz, H & V sensitivity 0.1 K Stability < 0.05K main lobe 12.5 @3db, 22° beam efficiency 0.986 No « visible » back lobes ONERA/CESBIO Operational since 23/1/2003
Design and Test of the Ground-Based L band Radiometer for Estimatingring Water In Soils ( LEWIS)	LIRE
Exemple de cycle diurne de la température de brillance acquis par l'instrument LEWIS en polarisation H/V sur un sol nu et sur un couvert herbacé.	VOIR

Artist's Views and Animation

	SMOS ANIMATION get here the mpg data file (2168 K)oB			SMOS - animation scientifique - (CESBIO / MIRA Productions) Explorez les antennes avec la souris...
	full resolution image :5500 x 2800 pixels (300 dpi)
	another one.... 3500 x2800 pixels (300 dpi)			SMOS : la mission "eau" de l'ESA :

Liens utiles

The ESA living planet programme Home page

ESA : for the ESA SMOS site

Les principales étapes du projet SMOS sur le site du CNES

Site web d'EADS/CASA

Site web d'Alcatel Alenia Space

Site web des Lanceurs ROCKOT

Site web d'ACRI

Site web d'ARRAY

 

data sets

The NSIDC page : for passive microwave data and Snow and Ice data

The Global Soil Wetness project Page for the existing soil wetness data and research

Global soil Moisture Data Bank for soil moisture data sets

Other data sets of interest from USDA Remote Sensing of Soil Moisture, hydrology experiment...

Experiment and Mission

The Hydros page : for the other Soil moisture mission (NASA ESSP)

The GEWEX page : for the Global Energy an Water Experiment

the Aquarius page : for the other Sea Salinity mission (NASA ESSP)

MDB and NAFE Experiment : for the next SMOS campaign (CoSMAus)

Other sites...

Hydrologie Laboratory Hydrology and Remote Sensing Laboratory (USDA)

AMSR page : for the existing almost low frequency radiometer

The Sea Salinity International Working Group Final Report of the First Workshop, february1998.

 

TECHNICAL NOTES

These technical notes are intended to those who want
to get a deeper insight of the SMOS system.

They cover instrument characteristics (FOV), retrieval
accuracies, perturbations and more should come!

They were all written by Philippe Waldteufel.

Radiometric sensitivity of SMOS

SMOS Field of View

L Band Salinity retrieval: SST and receiver effects

L Band Salinity retrieval:Sky and optical thickness effects

Faraday Rotation

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Les Publications et les Posters

 

CoSMOS- 2

Due to last minutes lack of availability of the 1st CoSMOS campaign in the south-west of France, ESA decided to organize an airborne campaign at the same time and at the same place of National Airborne ield Experiment (NAFE)

CoSMOS-2 took place in Australia from 31 October to 25 November. Following the cancellation of CoSMOS-1, scheduled for March / April 2005, CoSMOS-2 has been developed to enable validation of the SMOS soil moisture prototype processor at the start of 2006.

The airborne components of the campaignwas the Aero Commander 500S Shrike aircraft that was installed with the EMIRAD L-band radiometer developed by the Technical University of Denmark. In-situ soil moisture and ancillary measurements were provided by the instrumentation established in the Goulburn River Basin , where an excellent variety of semi-arid vegetation and soil types are to be found.

 

flight plans for cosmos(8/2005)

Welcome to the submission area for the AO for SMOS Calibration and Validation.

The 1st. Announcement of Opportunity for the SMOS Mission aiming specifically at Calibration and Validation activities is open now. Details are available from: http://eopi.esa.int/smos

You can read some CESBIO responses :

Cal-val SMOS-AMMA

Principal Investigator: Manuela Grippa (CESBIO/CNAP), Thierry Pellarin (Laboratoire d'étude des Transferts en Hydrologie et Environnement, LTHE), Bernard Cappelaere (Hydro Sciences, Montpellier - HSM)

Primary Application Domain: Calibration/Validation
Secondary Application Domain: Hydrology

Title : Multiscale validation of SMOS brightness temperature and products over West Africa

The aim of this project is to use both ground measurements and land surface modeling approaches to compare and validate SMOS products over West Africa in the framework of AMMA project.
more details and results

Cal Val SMOS Murray-Darling Basin: National Airborne ield Experiment (NAFE)

Principal Investigator : Gilles Boulet (CESBIO/IRD)

Primary Application Domain: Calibration/Validation
Secondary Application Domain: Hydrology

The aim of this proposal is to use a combination of gridded airborne L-band brightness temperature, NDVI and surface temperature data and distributed in-situ soil moisture data acquired at the scale of several SMOS pixels during two field experiments in SE Australia (NAFE) to test 1- the SMOS soil-moisture retrieval algorithms (inversion of local soil moisture from airborne brightness temperature data) 2- the SMOS disaggregation algorithms (inversion of local soil moisture from coarse brightness temperature and auxillary remote-sensing data). This proposal falls within the Cal/Val SMOS activities for which a joint proposal with the same objectives is submitted to the adhoc program at ESA, lead by our Australian partners represented by Prof. Jetse Kalma.

more details

website of NAFE

ESA presentation for the CaL-Val

Results of the (COSMOS/NAFE'05 Experiment

 

Calibration of SMOS products Geolocalisation Biases

Principal Investigator. : Francois Cabot (CESBIO/CNES)

Primary Application Domain: Calibration/Validation

The aim of this study is to deliver a full characterization of on-orbit geolocalisation biases as observables in SMOS products.

more details

CAL-VAL CAROLS 2010 (Cooperative airborne radiometer for ocean and land studies)
Principal Investigateur : Mehrez Zribi (CESBIO/IRD)

Si le principe de l'interféromètrique est parfaitement maitrisé en radioastronomie, c’est la première fois qu’un instrument de ce type est utilisé pour observer la Terre depuis l’espace (SMOS évoluera 755 km). Il a fallu s’assurer que le fonctionnement en orbite de MIRAS ne réservera pas de mauvaises surprises. Un radiomètre similaire (CAROLS) à donc été fabriqué et utilisé pour valider les observations et préparer les algorithmes de traitement des données du radiomètre de SMOS.

Fabriqué par le CETP (LATMOS), en collaboration avec l'Université Technologique du Danemark et la Division Technique de l'INSU, CAROLS fonctionne à la même fréquence que le radiomètre de SMOS (1.4 GHz) et peut être embarqué à bord de l'avion de recherche ATR42 de Météo France géré par l'UMS SAFIRE (CNRS-INSU / Météo France / CNES).

Antenne oblique CAROLS. © CESBIO,

Il a réalisé depuis 2007 plusieurs campagnes qui ont levé les doutes que pouvaient avoir les scientifiques sur l’utilisation d’un instrument dont le fonctionnement repose sur de petites antennes disposées sur une structure déployable et reliées entre elles. Cela a permis de valider son fonctionnement et notamment valider la qualité des données mesurées et des protocoles d'étalonnage et l'estimation de la présence des effets perturbateurs liés à l'interférence des radiofréquences.

Contexte et objectifs

CAROLS va jouer un rôle essentiel durant la phase de recette en vol de SMOS, dans le cadre d'une campagne aéroportée prévue au printemps 2010. L'objectif sera de fournir des mesures indépendantes multiconfigurations qui serviront à évaluer la qualité des données SMOS. Cette campagne sera réalisée en coordination avec d’autres mesures destinées au recueil in situ de données complémentaires indispensables à l'analyse, à savoir des observations au sol réalisées par Météo France (CNRM), l'INRA et l’INSU (CESBIO) et une campagne de mesures océanographiques, coordonnée par le LOCEAN et réalisée à partir d’un navire de l’INSU.

Campagne aéroportée

Dates et lieux La campagne 2010 se déroulera durant trois mois (avril, mai et juin) et sur trois sites : Golfe de Gascogne, Sud-Ouest de la France et Valence (Espagne). Les vols seront effectués à partir de l’aéroport de Francazal à Toulouse (point d’attache de l’opérateur SAFIRE) et à partir de Brest. Moyens déployés Le radiomètre micro-onde CAROLS sera embarqué à bord de l’ATR42 avec le radar aéroporté STORM du LATMOS et le récepteur GPS GOLD-RTR installé par une équipe espagnole. L’avion effectuera plus de 35 vols répartis sur les trois sites d’étude, avec des départs de Brest et de Toulouse.

contact au CESBIO : Mehrez Zribi

Objectifs de la mission  

L'objectif scientifique de cette mission est d'obtenir à l'échelle globale une meilleure estimation de l'humidité des sols et de la salinité des océans .

Sur les terres émergées , il s'agit d'estimer l'humidité de surface afin de renseigner les modèles de circulation générale et décrire les conditions aux limites pour les modèles d'hydrologie à grande échelle. Les analyses de sensibilité montrent l'importance de la connaissance précise de l'humidité de surface pour la reconstruction des champs de précipitation. De nouvelles approches permettent de plus d'estimer le contenu en eau de la zone racinaire. Enfin l'utilisation des caractéristiques multi-angulaires et bi-polarisées de SMOS permettront de quantifier le contenu en eau de la végétation. Il n'existe actuellement aucune autre méthode fiable pour mesurer l'humidité de surface par satellite

Sur les surfaces océaniques , il s'agit d'estimer la salinité de l'eau qui est une variable importante pour la dynamique de la circulation océanique et le couplage océan/atmosphère. Actuellement, aucune mesure de cette nature n'est disponible à l'échelle globale

Etat actuel du projet

Le projet a été soumis à l'ESA par le CESBIO dans le cadre de l'appel a Propositions " Earth Explorer Opportunity Missions " en Novembre 1998.   Il a été classé deuxième et donc sélectionné.

L’accompagnement scientifique est en partie sous la responsabilité du CESBIO.

La charge utile de l’instrument SMOS a terminé avec succès cette année tous les tests de certification (Vibration, acoustique, vide …). Le lancement a été réalisé nominalement le 2 Novembre 2009, la durée de vie de l'instrument est de 5 ans.

La mise en route de la charge utile du satellite Smos a été effectuée avec succès par le CNES le 17 novembre. Le premier vidage des données mission de la charge utile via l’émetteur en bande X sur la station de réception de Villafranca (Madrid) de l’ESA s'est également bien déroulé. Les premières données de l’instrument ont été traitées par la chaîne de traitement de niveau 1. Les premiers résultats, bien que très préliminaires car exempts de tout processus de calibration, montrent un premier comportement satisfaisant de l'ensemble du système.

Le processus de recette en vol va néanmoins se poursuivre au cours des prochaines semanes. Une revue de fin de recette en vol, prévue en janvier 2010 validera le passage en exploitation du système. Les activités de calibration/validation de la charge utile se poursuivent également, afin de produire prochainement les premières cartes d’humidité des sols et de salinité des océans. Une revue de fin de calibration/validation devrait se tenir mi 2010 pour autoriser la distribution aux utilisateurs des produits scientifiques.

Avant la diffusion des données, les scientifiques vont ainsi pouvoir se familiariser avec les premières simulations de données SMOS générées au CESBIO pour une quarantaine de dates. Les jeux de données contiennent l’humidité de surface, les valeurs de la température (air, surface…) ainsi que la couverture végétale et la texture des sols.

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