NASA arbejder på at give satellitsværme en bikube

Sværme af små satellitter kunne kommunikere indbyrdes for at indsamle data om vigtige vejrmønstre på forskellige tidspunkter af dagen eller året, og fra flere vinkler. Sådanne sværme, ved hjælp af maskinlæringsalgoritmer, kunne revolutionere forskernes forståelse af vejr- og klimaændringer.

Ingeniør Sabrina Thompson arbejder på software til at muliggøre små rumfartøjer, eller SmallSats, at kommunikere med hinanden, identificere værdifulde observationsmål, og koordinere holdning og timing for at få forskellige syn på det samme mål.

"Vi ved allerede, at støv fra Sahara, der blæser over til Amazonas regnskove, påvirker skydannelsen over Atlanterhavet på bestemte tidspunkter af året, " sagde Thompson, der arbejder på NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Hvordan fanger du den skyformation? Hvordan fortæller du en sværm af satellitter, hvilken region og tidspunkt på dagen der er bedst til at observere det fænomen?"

Under Thompsons plan, videnskabsmænd ville etablere et sæt krav til observationer og definere højværdimål. Så ville softwaren tage over, gør det muligt for en rumfartøjssværm at finde ud af, hvordan man bevæger sig i forhold til hinanden for bedst muligt at observere disse mål. Strategier kan også ændre sig baseret på tidspunktet på dagen, sæson, eller den region, der observeres. Rumfartøjet ville også bruge onboard machine learning til at forbedre visningsstrategier over tid.

"Der er flere typer sværmkonfigurationer, der overvejes, " sagde Thompson. "Man kan være en sværm, hvor satellitter vil være i forskellige baner, som vil give dem mulighed for at se en sky eller et andet fænomen i forskellige vinkler. En anden sværm kunne se de samme fænomener med lignende udsigt, men på forskellige tidspunkter af dagen. En tredje type sværm kan kombinere begge, med nogle satellitter i samme kredsløb, efter hinanden med en vis tidsforskydning, og andre satellitter, som kan være i kredsløb med forskellige højder og/eller hældninger."

Mens en sværm ville forblive inden for den samme bane, individuelle rumfartøjer kunne endda bruge noget, der kaldes differentiel modstandskontrol - at manipulere kræfterne forårsaget af Jordens atmosfære, der trækker mod det kredsende fartøj - for at kontrollere tidsadskillelsen mellem hvert rumfartøj i forhold til andre i sværmen, hun sagde. "Længden af ​​tid det tager at udføre en differentialmodstandsmanøvre afhænger af rumfartøjets masse og areal, samt orbitalhøjden. For eksempel, det kan tage så lang tid som et år eller så kort som et par dage, endda timer."

"Med flere rumfartøjer i en formation for at se det samme mål, Thompson sagde, "du kan se en sky, for eksempel, ikke kun fra toppen, men også fra siderne." I en anden formation, du kan se denne sky på forskellige stadier af dens livscyklus fra flere SmallSats, der passerer på forskellige tidspunkter.

Arbejder med professor ved University of Maryland-Baltimore County (UMBC) Jose Vanderlei Martins, Thompson hjalp med at udvikle Hyper-Angular Rainbow Polarimeter (HARP) CubeSat, der blev opsendt fra Den Internationale Rumstation (ISS) for lidt over et år siden. En opdateret version af dens instrumentering, kaldet HARP2, vil flyve på Plankton, Aerosol, Sky, ocean Ecosystem (PACE) mission planlagt til opsendelse i 2023.

En sværm af SmallSats som HARP, deling af information og koordinering af dækning, kunne fremme vejrudsigten, katastroferapportering, og klimamodellering på lang sigt, sagde Vanderlei Martins. At komme dertil, forskere har brug for kombinationen af ​​brede og snævre synsfelter og billeder i høj opløsning for bedre at forstå dynamikken i vejrsystemudviklingen.

"Ideelt set Jeg kan godt lide at have en satellit med et bredt synsfelt, der observerer større fænomener, " sagde han. "Men en lille satellit, der dækker et stort område, kan ikke foretage observationer med høj rumlig opløsning. Alligevel, du kan bruge den som en landmålertype satellit til at identificere interesseområdet. Så har du andre med et snævrere synsfelt, får højere opløsning, få meget flere detaljer."

At sætte sværmen i stand til at træffe beslutninger og dele information er afgørende. Vanderlei Martins sagde, "Denne slags beslutninger skal træffes på få minutter. Du har ikke tid til, at jordkontrol bliver involveret."

Thompson bemærkede, at en reduktion af afhængigheden af ​​jordkontrol- og kommunikationsnetværk også frigør ressourcer til SmallSat-missioner med begrænsede budgetter.

Som en rumfartsingeniør, der arbejder hen imod en atmosfærisk fysikgrad ved University of Maryland, Baltimore County, Thompson gik tilbage til skolen for at lære mere om de geovidenskabelige krav, der driver hendes arbejde som innovator. "Jeg ville også rigtig gerne forstå klimaændringer."

Hvordan aerosolpartikler og skyer interagerer er afgørende for at forstå klimaændringer. Polarimetre kan give et væld af data om partikler suspenderet i atmosfæren - fra røg, aske, og støv til vanddråber og is, hver art af partikel polariserer lys, der reflekteres fra den, på detekterbare måder.

"På et grundlæggende niveau, min forskning involverer at evaluere geometrien mellem instrumenter på satellitten og solen, " sagde Thompson. "Disse instrumenter er passive. De kræver en vis geometri i forhold til jordmålet og Solen for at hente de videnskabelige data, vi ønsker."

Hendes algoritmer vil bestemme de bedst egnede kombinationer af kredsløb og instrumentets synsfelt for at give den største sandsynlighed for at observere en sky med den passende geometri til at hente videnskabelige data. Derefter ville den planlægge og udføre manøvreringsskemaer for hvert rumfartøj for at opnå disse geometrier i forhold til de andre satellitter i sværmen.

Dette arbejde med at forstå strukturen og udviklingen af ​​skyer hænger sammen med Atmosphere Observing System, eller AOS, (tidligere aerosoler og skyer, Konvektion og nedbørsundersøgelse identificeret som en prioritet i 2017 Earth Decadal Survey. Vanderlei Martins og Thompson mener, at deres sværmteknologi komplementerer AOS' videnskabelige mål og kan forbedre kommende NASAs jordvidenskabelige missioner.