Development of co-location services for ground-based and satellite atmospheric data

Remote sensing techniques offer the unique possibility to continuously monitor the atmosphere from both ground and space. Satellite measurements are often compared to higher-precision ground-based measurements as part of validation efforts of satellite products. Comparison is made possible by co-locating satellite and ground- based data to find spatio-temporal matches. However, this process is complex and depends on the satellite products involved. Thus, AERIS/ICARE, a French data and services centre dedicated to atmosphere studies, planned to implement co-location services for its community of users whose needs concern two co-location scenarios. The first scenario consists in the co-location of a ground station with geostationary satellite measurements. Given latitude/longitude of the ground station provided by the user, a quick search for matching ’granule’ is performed. The technique rests upon latitude/longitude grids made of pixels forming the satellite image. The method is aimed at finding a ’granule’, namely a collection of pixels whose centre is falling within the tolerance circle defined around the ground station. Vincenty’s formulae is used to compute distance between two points on Earth’s surface, assuming an oblate spheroidal Earth. Once the granule is determined, satellite data extraction is carried out in ICARE’s database to retrieve the corresponding scientific variables. To reduce user’s workload, a dashboard has been implemented. The idea is to make the co-location interactive, by displaying the satellite’s field of view, the available ground stations, and the co-location results (matching granule, satellite data). The second scenario consists in the co-location of a trajectory (aircraft, balloon) with a network of non-geostationary satellites. In this situation, orbit propagation is needed to locate and identify satellite data files that contain potential matches. Usually orbit propagation enables to estimate satellite’s position and velocity at any point in the future to some accuracy. In the co-location context, orbit propagation is performed on past dates. The method takes advantage of the SGP4 (Simplified General Perturbations 4) model, providing orbital elements as input, in the form of a Two-Line Elements set. Finally, accuracy assessment of SGP4 and IXION - another orbit propagator - is achieved using Sentinel-5P data, leading to the choice of the SGP4 model.

Le tecniche di telerilevamento offrono la possibilità unica di monitorare continuamente l’atmosfera, sia da terra che dallo spazio. Le misurazioni satellitari sono spesso confrontate con quelle terrestri, di maggiore precisione, nell’ambito delle attività di validazione dei prodotti satellitari. Il confronto è reso possibile dalla co-localizzazione dei dati satellitari e terrestri, al fine di trovare corrispondenze spazio-temporali. Tuttavia, questo processo è complesso e dipende dai prodotti satellitari coinvolti. Per questo motivo, AERIS/ICARE, un centro dati e servizi francese dedicato agli studi sull’atmosfera, ha pianificato l’implementazione di servizi di co-locazione per la sua comunità di utenti, le cui esigenze riguardano due scenari di co-locazione. Il primo scenario consiste nella co-localizzazione di una stazione di terra con misure satellitari geostazionarie. Data la latitudine/longitudine della stazione terrestre fornita dall’utente, viene eseguita una rapida ricerca del "granulo" corrispondente. La tecnica si basa su griglie di latitudine/longitudine costituite dai pixel dell’immagine satellitare. Il metodo mira a trovare un "granulo", ossia un insieme di pixel il cui centro rientra nel cerchio di tolleranza definito intorno alla stazione a terra. La formula di Vincenty viene utilizzata per calcolare la distanza tra due punti sulla superficie terrestre, ipotizzando una Terra sferoidale oblata. Una volta determinato il granulo, l’estrazione dei dati satellitari viene effettuata nel database di ICARE per recuperare le variabili scientifiche corrispondenti. Per ridurre il carico di lavoro dell’utente, è stato implementato un’interfaccia grafica. L’idea è di rendere interattiva la co-locazione, visualizzando il campo visivo del satellite, le stazioni di terra disponibili e i risultati della co-locazione (granulo corrispondente, dati satellitari). Il secondo scenario consiste nella co-localizzazione di una traiettoria (aereo, pallone aerostatico) con una rete di satelliti non geostazionari. In questa situazione, la propagazione dell’orbita è necessaria per localizzare e identificare i file di dati satellitari che contengono potenziali corrispondenze. Nella maggior parte dei casi, la propagazione dell’orbita permette di predire con precisione la posizione e la velocità del satellite. Nel contesto della co-locazione, la propagazione dell’orbita viene eseguita su date passate. Il metodo sfrutta il modello SGP4 (Simplified General Perturbations 4), fornendo elementi orbitali come input, sotto forma di un Two-Line Elements set. Infine, la valutazione dell’accuratezza di SGP4 e IXION - un altro propagatore di orbite - viene effettuata utilizzando i dati di Sentinel-5P, portando alla scelta del modello SGP4.