Ny model forenkler orbital radar trade-off undersøgelser til miljøovervågning

Skoltech-forskerne Alessandro Golkar og Ksenia Osipova, og tidligere Massachusetts Institute of Technology (MIT) studerende Giuseppe Cataldo (nu arbejder ved NASAs Goddard Space Flight Center) har udviklet, inden for rammerne af et Skoltech-MIT-samarbejde, en model til at hjælpe ingeniører med at skabe og udvælge de mest lovende konceptuelle designs af satellitradarsystemer. Ved at optimere designet af disse hurtigt udviklende instrumenter, modellen fremmer deres hurtigere og mere omkostningseffektive introduktion, fører til bedre kort og storm, oversvømmelse, og jordskredsovervågning. Undersøgelsen kom ud i Acta Astronautica .

Satellitbilleder af Jorden bruges til at overvåge landbrugets arealanvendelse, havets isdække, kystændring, og fjendtlige vejrbegivenheder. Disse observationer er lavet i forskellige bånd af det elektromagnetiske spektrum, herunder radiobølger. I modsætning til optiske eller infrarøde billedapparater, radarer observerer mål uafhængigt af deres belysning, omgå skyer, og fungerer generelt godt i al slags vejr.

Imidlertid, for at give samme opløsning som et instrument med kortere bølgelængde, radaren skal være fysisk større, gør det svært at passe på en satellit. En måde at undgå dette på er at bruge syntetiske blænderadarer. SARS opnår høj opløsning ved kunstigt at øge deres blænde, eller antenne "størrelse". Monteret på en satellit, en SAR udsender en radarpuls og rejser en vis afstand, før pulsen vender tilbage og opfanges et andet sted. Den tilbagelagte afstand tager derefter hensyn til den virtuelle størrelse af antennen, som om den var meget større, hvilket giver en bedre billedkvalitet med en forholdsvis lille antenne.

På trods af dette blænde-inflationstrick, SARS er historisk blevet fløjet på store og dyre satellitter, fordi radarer stadig var ret omfangsrige og forbrugte meget strøm. Dette har ændret sig med fremkomsten af ​​mindre og lettere SARS. Disse er i de tidlige udviklingsstadier, men udvikler sig hurtigt, allerede overtager opgaver som olieudslip og overvågning.

I takt med at antallet af stadig mindre satellitter i kredsløb vokser, SAR-ingeniører spekulerer på, hvilke af dem der er mulige bærere til de miniaturiserede radarer. Dette er særligt relevant, da nyere forskning tyder på, at snesevis af såkaldte mikro- eller nanosatellit-baserede SARS, der arbejder sammen, kunne klare sig langt bedre end konventionelle store SAR-missioner, hvis omkostningseffektivitet er indregnet i ligningen.

Med udvalget af muligheder udvidet, det bliver mere og mere udfordrende at afbalancere radarens præstationskarakteristika mod andre parametre i en SAR-lanceringsmission. Nogle af de involverede variable er de tilgængelige baner, radar- og satellitmodeller – med deres fysiske dimensioner og et væld af egenskaber, såsom datahastighed og strømforbrug. Denne kompleksitet kræver en beregningsmæssig tilgang til at understøtte designet af fremtidige SAR-baserede jordobservationsmissioner.

For at løse dette, en nylig Skoltech-ledet undersøgelse præsenterer en matematisk model til at skabe optimale SAR-konceptuelle designs. Modellen optimerer SAR-karakteristika med en metode kaldet handelsrumsudforskning. Denne term, som er en kombination af "trade-off" og "playspace, "indebærer, at modellen vil hjælpe designere i tidlige stadier med at analysere de mange afvejninger, der er involveret i processen, hurtigt at evaluere mange designalternativer og identificere optimale løsninger at forfølge.

Papiret demonstrerer anvendeligheden af ​​modellen ved at se på radarinstrumenter på en bred vifte af små satellitplatforme:1, 265 mulige radardesigns er indsnævret til mindre end 44 optimale til forskellige radiofrekvenser. Forskerne konkluderer, at små satellitter er en mulig platform for de højfrekvente 8-12 GHz og 4-8 GHz radarer, men ikke for 1-2 GHz-båndet. Betingelserne for at gøre sidstnævnte type SARS gennemførlig diskuteres, sammen med gennemførlighedsgrænserne og tekniske begrænsninger for de tilhørende instrument- og rumfartøjskrav. Pulsgentagelsesfrekvens fremstår som den vigtigste begrænsende begrænsning på SAR-handelsområdet. Med andre ord, denne egenskab er den mest kraftfulde faktor – forud for strømforbruget, antenne størrelse, datahastighed, osv. – for at indsnævre radarkonfigurationer til et begrænset sæt af gennemførlige designs.

I en separat analyse, holdet overvejer radarer til den meget lille 3U CubeSat-platform, identificere 44 optimale designs blandt omkring 13, 000 mulige kandidater. Undersøgelsen undersøger de operationelle begrænsninger, der kræves for udviklingen af ​​sådanne innovative miniaturiserede radarer. Forfatterne konkluderer, at SARS for CubeSats er gennemførlige fra et instrument-niveau perspektiv og foreslår, at deres design nu overvejes på missionsniveau - sammen med implikationerne for rumfartøjsdesign.

Modellen præsenteret i undersøgelsen gælder for radarsystemer monteret på en enkelt satellit. Det kunne, imidlertid, udvides i fremtiden til at tage højde for måder at kombinere SAR-satellitter i konstellationer.