NASA CubeSat for at teste miniaturiseret vejrsatellitteknologi

Bag hver vejrudsigt - fra din lokale, fem dages forudsigelse til en sen-opdaterende orkanopdatering-er satellitterne, der gør dem mulige. Regeringsorganer er afhængige af observationer fra vejrsatellitter for at informere vejrudsigtsmodeller, der hjælper os med at forberede storme, der nærmer sig, og identificere områder, der skal evakueres eller førstehjælpere.

Vejrsatellitter har traditionelt været store, både i den nødvendige indsats for at bygge dem og i den faktiske størrelse. De kan tage flere år at bygge og kan være lige så store som en lille skolebus. Men alt dette kan ændre sig i fremtiden ved hjælp af en satellit i skoeske, der vil begynde at kredser om Jorden senere på måneden.

Den NASA-finansierede CubeSat, kaldet Microwave Radiometer Technology Acceleration (MiRaTA), vil blive affyret i Jordens kredsløb fra raketten med den næste store amerikanske vejrsatellit (NOAA's JPSS-1) ud i rummet. MiRaTA er designet til at demonstrere, at en lille satellit kan bære instrumentteknologi, der er i stand til at reducere omkostninger og størrelse for fremtidige vejrsatellitter og har potentiale til rutinemæssigt at indsamle pålidelige vejrdata.

Mikrobølgeradiometre er et af arbejdshestens instrumenter ombord på nutidens vejrsatellitter. Disse følsomme instrumenter måler radiofrekvenssignaler relateret til den termiske stråling, der udsendes af atmosfæriske gasser, såsom molekylær ilt og vanddamp, og også detektere partikler såsom sky -is. Disse data er centrale input til modeller, der sporer storme og andre vejrhændelser. Kalibrering af disse radiometre er vigtig for at forhindre dem i at køre, så deres data kan bruges til nøjagtige vejr- og klimamodeller. Derfor, et kalibreringsmål er normalt inkluderet i satellitten for at hjælpe radiometeret med at opretholde dens nøjagtighed.

Miniaturiserende mikrobølgeradiometerinstrumenter til at passe på en CubeSat fører til udfordringen med at finde et kalibreringsinstrument, der ikke kun er præcist, men også kompakt, sagde Kerri Cahoy, hovedforsker for MiRaTA og lektor i Institut for Luftfart og Astronautik ved Massachusetts Institute of Technology. "Du har ikke plads til de omfangsrige kalibreringsmål, som du normalt ville bruge på større satellitter, "Cahoy sagde." Mikrobølgeradiometer kalibreringsmål på større satellitter kan være på størrelse med en brødrister, men for CubeSats, det skulle være på størrelse med et kortspil. "

Cahoy og hendes kollega William Blackwell, mikrobølgeradiometerets instrumentledning på MIT Lincoln Laboratory, er kommet med en løsning baseret på en teknik, hun studerede på forskerskolen kaldet radio okkultation (RO), hvorved radiosignaler modtaget fra GPS -satellitter i en højere bane bruges til at måle temperaturen på det samme atmosfæremængde, som radiometeret ser. GPS-RO temperaturmåling kan derefter bruges til kalibrering af radiometeret.

"I fysikklassen, du lærer, at en blyant nedsænket i vand ser ud til at være brudt i to, fordi lys bøjer anderledes i vandet end i luften, "Cahoy sagde." Radiobølger er som lys, idet de bryder, når de går gennem skiftende luftfylde, og vi kan bruge brydningens størrelse til at beregne temperaturen i den omgivende atmosfære med næsten perfekt nøjagtighed og bruge dette til at kalibrere et radiometer. "

I 2012 udsendte NASA's In-Space Validation of Earth Science Technologies (InVEST) -program en anmodning om teknologidemonstrationsforslag, hvilket fik Blackwell og Cahoy, der underviste derefter på MIT, satte deres teori på prøve ved at tilbyde et projekt til Cahoys studerende i hendes sensorer og instrumenteringsklasse for at afgøre, om ideen var gennemførlig. Da to elever demonstrerede ved hjælp af computermodellering, at radio okkultation faktisk kunne fungere til radiometerkalibrering, Cahoy og Blackwell spurgte The Aerospace Corporation's Rebecca Bishop, der har udviklet GPS-RO-modtagere til CubeSats, at slutte sig til teamet. De forelagde derefter et fuldstændigt forslag til MiRaTA til NASA, som gav greenlight til finansiering i foråret 2013.

At bygge MiRaTA var en teamindsats. Biskop ændrede en hylde, billig GPS-modtager til at foretage målinger af radio okkultation til kalibrering; MIT Lincoln Laboratory og University of Massachusetts Amherst anvendte deres ingeniørkundskaber til yderligere at minimere mikrobølgeradiometeret; og Cahoy og hendes studenterhold, guidet af ekspertmentorer på MIT Lincoln, byggede satellitten, der ville rumme alt.

"Det kan være svært at bygge en CubeSat, fordi du skal sætte batterier, en radio, en computer, dine instrumenter, hjul, som du drejer for at tippe og dreje din satellit, og foldede solpaneler og antenner til et meget lille rum, "Cahoy sagde." Og du bruger pladsækvivalenterne med tape og superlim til at begrænse dette rod af ledninger og stik og få det ind i dets hus.

"Men, "Cahoy tilføjede, "det hårde arbejde vil virkelig betale sig i store videnskabelige data, hvis det hele går som planlagt."

I bedste tilfælde, tre uger efter lanceringen vil MiRaTA være fuldt operationel, og inden for tre måneder vil teamet have indhentet valideringsdata fra både radiometeret og GPS -modtageren. Det store mål for missionen - at erklære teknologidemonstrationen for en succes - ville blive bekræftet lidt længere nede ad vejen, mindst et halvt år væk, efter dataanalysen.

Hvis MiRaTAs teknologivalidering er vellykket, Cahoy sagde, at hun forestiller sig en eventuel konstellation af disse CubeSats, der kredser om hele Jorden, tager øjebliksbilleder af atmosfærens og vejrets tilstand hvert 15. minut - hyppigt nok til at spore storme, fra snestorm til orkaner, i realtid. "Vores mål er at få vores radiometere til at fungere lige så godt som dem på nuværende vejrsatellitter og være i stand til at levere den slags data, der hjælper agenturer og mennesker på vej til en naturkatastrofe med at forberede sig tidligt og klogt, " hun sagde.

"Dette er en meget spændende mission, da det bliver den første demonstration i kredsløb om et al slags vejr, trefrekvens radiometer CubeSat ved hjælp af atmosfærisk GPS-RO-baseret kalibrering, "sagde NASA Jet Propulsion Laboratory's Charles Norton, en programmedarbejder i NASA's Earth Science Technology Office (ESTO) og task manager for MiRaTA. "Det er et sandt bevis på kreativiteten og innovationen hos de involverede teams, at de fremmer måleteknologier til fremtidige små satellitkonstellationsmissioner, " han sagde, samtidig tilføjer, at Utah State Universitys Space Dynamics Laboratory og NASA Wallops Flight Facility understøtter grundstationer og missionsoperationer for CubeSat.

MiRaTA og andre jordvidenskabelige InVEST -missioner finansieres og administreres af NASAs ESTO -program i NASAs Earth Science Division. ESTO støtter teknologer på NASA -centre, industri og akademi at udvikle, forfine og demonstrere nye metoder til at observere jorden fra rummet, fra informationssystemer til nye komponenter og instrumenter.

Små satellitter, herunder CubeSats, spiller en stadig større rolle i efterforskning, demonstration af teknologi, videnskabelig forskning og uddannelsesundersøgelser på NASA, herunder:planetarisk rumforskning; Jordobservationer; grundlæggende jord- og rumvidenskab; og udvikling af precursor science-instrumenter som banebrydende laserkommunikation, satellit-til-satellit-kommunikation og autonome bevægelsesmuligheder.