Новая модель упрощает выбор параметров орбитальных радаров для мониторинга окружающей среды

Исследователи из Сколтеха Алессандро Голкар и Ксения Осипова совместно с бывшим студентом Массачусетского технологического института (MIT) Джузеппе Катальдо (ныне работающим в Центре космических полетов имени Годдарда NASA) разработали модель для помощи инженерам в создании и выборе наиболее перспективных концептуальных проектов спутниковых радиолокационных систем. Модель оптимизирует конструкцию этих быстро развивающихся инструментов, способствуя их более быстрому и экономически эффективному внедрению, что ведет к улучшению картографии и мониторинга штормов, наводнений и оползней. Исследование опубликовано в Acta Astronautica.

Спутниковая съемка Земли используется для мониторинга сельскохозяйственных угодий, ледового покрова океанов, изменений береговой линии и опасных погодных явлений. Эти наблюдения ведутся в разных диапазонах электромагнитного спектра, включая радиоволны. В отличие от оптических или инфракрасных систем, радиолокаторы наблюдают цели независимо от их освещенности, «видят» сквозь облака и обычно хорошо работают в любую погоду. Однако для обеспечения такого же разрешения, как у инструмента с более короткой длиной волны, радар должен быть физически больше, что затрудняет его размещение на спутнике. Один из обходных путей — использование радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА). Они достигают высокого разрешения за счет искусственного увеличения своей апертуры или «размера» антенны, используя движение спутника.

Несмотря на этот трюк с увеличением апертуры, РСА исторически запускались на больших и дорогих спутниках из-за их громоздкости и высокого энергопотребления. Ситуация меняется с появлением более компактных и легких РСА. Эти системы находятся на ранних стадиях разработки, но быстро развиваются и уже применяются, например, для обнаружения разливов нефти. По мере роста числа все более мелких спутников на орбите перед инженерами встает вопрос, какие из них подходят для миниатюризируемых радаров. Это особенно актуально, поскольку последние исследования показывают, что десятки микро- или наноспутников с РСА, работая вместе, могут значительно превзойти традиционные крупные миссии с РСА, если учитывать экономическую эффективность.

Чтобы помочь в решении этой сложной задачи, исследование, проведенное под руководством Сколтеха, представляет математическую модель для создания оптимальных концептуальных проектов РСА. Модель оптимизирует характеристики РСА с помощью метода, называемого исследованием пространства компромиссов (trade space exploration). В работе демонстрируется полезность модели на примере рассмотрения радаров для широкого спектра малых спутниковых платформ: из 1265 возможных вариантов конструкций радаров было отобрано менее 44 оптимальных для разных радиочастот. Исследователи пришли к выводу, что малые спутники являются подходящей платформой для радаров более высоких частот (8–12 ГГц и 4–8 ГГц), но не для диапазона 1–2 ГГц. Частота повторения импульсов оказалась основным ограничивающим фактором при выборе конфигурации РСА, опережая по важности энергопотребление, размер антенны и скорость передачи данных.

В отдельном анализе команда рассмотрела радары для очень маленькой платформы 3U CubeSat, выявив 44 оптимальных проекта среди примерно 13 000 возможных кандидатов. Авторы делают вывод, что РСА для CubeSat осуществимы с точки зрения уровня инструмента, и предлагают теперь рассматривать их проекты на уровне миссии. Представленная модель применима к радиолокационным системам, установленным на одном спутнике, но в будущем может быть расширена для учета возможностей объединения спутников с РСА в созвездия.