Исследователи во главе с Шриджей Нагом, бывшим аспирантом факультета аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института (AeroAstro), смоделировали работу одного большого орбитального спутника с девятью датчиками по сравнению с кластером из трех-восьми небольших, оснащенных одним датчиком. спутники вместе летают вокруг Земли. В частности, команда исследовала, как каждое формирование спутника измеряет альбедо или количество света, отраженного от Земли, — показатель того, сколько тепла отражает планета.
Команда обнаружила, что кластеры из четырех или более небольших спутников могут смотреть на одно место на Земле под разными углами и измерять общий коэффициент отражения в этом месте с ошибкой, вдвое меньшей, чем у одиночных спутников, работающих сегодня. Наг говорит, что такая коррекция ошибки оценки может значительно улучшить климатические прогнозы ученых.«Суммарная исходящая радиация на самом деле является одной из самых больших неопределенностей в изменении климата, потому что это сложная функция от того, где вы находитесь на Земле, какое сейчас время года, какое сейчас время суток, и очень трудно определить, сколько тепла уходит. Земля, — говорит Наг. «Если мы сможем оценить отражательную способность различных типов поверхностей, глобально, часто и более точно, что позволяет вам делать группа спутников, то, по крайней мере, вы решили одну часть климатической головоломки».
Наг, который в настоящее время является инженером-исследователем в Институте экологических исследований области залива, Исследовательском центре НАСА Эймса и Центре космических полетов имени Годдарда НАСА, является соавтором статьи с Оли де Веком, профессором AeroAstro в Массачусетском технологическом институте; Чарльз Гейтб из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА; и Дэвид Миллер, главный технолог НАСА и профессор Джерома К. Хансакера в AeroAstro.Трехмерный видНаг говорит, что для точной оценки отражательной способности любого пятна на Земле требуются измерения этого пятна одновременно под разными углами.«Земля не отражает одинаково во всех направлениях», — говорит Наг. «Если у вас нет этих нескольких углов, вы можете недооценить или переоценить степень его отражения, если вам придется экстраполировать только с одного направления».
Сегодня спутники, которые измеряют альбедо Земли, обычно делают это с помощью нескольких камер, установленных на одном спутнике. Например, многоугольный спектрорадиометр НАСА (MISR), установленный на спутнике Terra, содержит девять камер, которые делают изображения Земли под веерообразным расположением углов.
Наг говорит, что недостатком этой конструкции является то, что камеры имеют ограниченный обзор, поскольку они не предназначены для изменения углов и могут вести наблюдение только в одной плоскости.Вместо этого команда предлагает группу небольших спутников, которые беспорядочно перемещаются вокруг Земли, достаточно близко друг к другу, чтобы иметь возможность снимать одно и то же место на земле с разных точек обзора. Каждый спутник может перемещаться внутри формации, одновременно делая снимки одного и того же места под разными углами.
«Со временем скопление покроет всю Землю, и у вас будет многоугольный трехмерный вид всей планеты из космоса, чего раньше не делали с несколькими спутниками», — говорит Наг. «Более того, мы можем использовать несколько кластеров для более частого охвата Земли».Ошибка оценкиНаг и ее коллеги смоделировали формирование от трех до восьми небольших орбитальных спутников и разработали алгоритм, позволяющий направлять каждый спутник одновременно на одну и ту же точку земли, независимо от его положения в космосе. Они запрограммировали каждую формацию на измерение теоретической величины, известной как функция распределения двунаправленной отражательной способности, или BRDF, которая используется для расчета альбедо и общего исходящего излучения на основе углов, под которыми производятся измерения, и угла падающих солнечных лучей.
Для каждой формации Наг вычислил ошибку спутников при измерении BRDF и сравнил эти ошибки с ошибками прибора MISR на спутнике Terra. Она проверила все ошибки, сравнив данные с радиометром поглощения облаков Годдарда НАСА, бортовым прибором, который получает десятки тысяч угловых измерений точки на земле. Она обнаружила, что каждая формация с семью или более спутниками с одним датчиком работает лучше, чем спутник-монолит с девятью датчиками, с меньшими ошибками оценки. Лучшие трехспутниковые кластеры генерировали половину ошибки оценок альбедо MISR.
Точность общих оценок улучшалась с увеличением количества спутников в кластере.«Мы обнаружили, что даже если вы не можете безупречно обслуживать свои спутники, наихудшая ошибка меньше, чем то, на что способен один спутник», — говорит Наг. «В лучшем случае, если вы уменьшите более чем вдвое ошибку, которую вы получаете в настоящее время, вы уменьшите вдвое количество ошибок, которые вы получили бы при отраженном тепле, покидающем Землю. Это действительно важно для изменения климата»."Эта работа важна не только для демонстрации возможности мгновенных многоугольных измерений BRDF из космоса для различных типов земной поверхности и биомов, но и для установления прочного методологического моста между системным проектированием будущих кластеров малых спутников и высокоточным моделированием наук о Земле, "говорит де Век. «Наша команда полностью ожидает, что демонстрационная миссия такого типа может быть запущена в течение следующего десятилетия».
Хотя многоспутниковые полеты в строю считались дорогостоящими делами, Наг говорит, что это предположение в основном относится к спутникам, которые должны поддерживать очень строгие построения с точностью до сантиметра — точность, которая требует дорогостоящих систем управления. Спутникам, которые она предлагает, не нужно будет придерживаться какой-либо одной формации, если все они указывают на одно и то же место.
Есть еще одно большое преимущество наблюдения за Землей с помощью небольших спутников: меньший риск.«Вы можете запустить троих из этих парней и начать работу, а затем отправить еще троих в космос — ваши характеристики улучшатся с большим количеством спутников», — говорит Наг. «Если вы потеряете один или два спутника, вы не потеряете всю систему измерения — у вас будет постепенная деградация.
Если вы потеряете монолит, вы потеряете все».