Проєктування радарів для супутників моніторингу навколишнього середовища стане простіше

Дослідники Сколтеха Алессандро Голкар і Ксенія Осипова, а також колишній студент Массачусетського технологічного інституту (MIT), а нині співробітник Центру космічних польотів імені Годдарда НАСА Джузеппе Каталдо розробили модель, за допомогою якої вже на етапі ескізного проєктування можна буде створювати та відбирати найбільш перспективні конфігурації супутникових радіолокаційних систем. Нова модель забезпечить оптимізацію параметрів цих швидко радарів, тим самим скорочуючи терміни й витрати на їх впровадження, що своєю чергою дозволить підвищити якість картографування і ефективність моніторингу штормів, повеней, зсувів та інших стихійних лих.

Результати дослідження, що проводилося в рамках співпраці між Сколтехом і MIT, опубліковані в журналі Acta Astronautica. Супутникові зображення Землі використовуються для спостереження за використанням сільськогосподарських угідь, крижаним покривом океанів, змінами прибережних територій і несприятливими погодними явищами.

Спостереження проводяться в різних діапазонах електромагнітного спектра, включаючи радіохвилі. На відміну від оптичних і інфрачервоних систем, радіолокація ефективно працює при будь-якій погоді, забезпечуючи спостереження заданого об’єкта незалежно від освітлення і наявності хмарного покриву.

Однак, щоб радар міг забезпечити такий же рівень дозволу, як апаратура, що працює на коротших хвилях, сам він повинен бути більше за розміром, що істотно ускладнює розміщення на супутнику. Один зі способів вирішення цієї проблеми – використання радарів з синтезованою апертурою (SAR), які здатні забезпечити високий дозвіл шляхом штучного збільшення апертури, тобто «розміру» антени.

Якщо встановити SAR на супутнику, він буде випромінювати імпульс, перебуваючи в одній точці орбіти, а приймати його, коли вже переміститься в іншу точку. Пройдену відстань збільшує віртуальний розмір антени так, що він значно перевищує її фізичні габарити. У підсумку за допомогою порівняно невеликої антени виходить якісне зображення.

Попри можливість штучного збільшення апертури радара, SAR залишалися досить громіздкими та енерговитратними й історично ставилися на великі й, отже, дорогі супутники. Ситуація почала змінюватися, коли з’явилися перші більш компактні та легкі SAR, які поки знаходяться на ранній стадії розробки, але стрімко розвиваються і вже застосовуються для таких завдань, як виявлення і моніторинг розливів нафти.

З ростом кількості малих супутників на орбіті творці SAR все частіше задаються питанням, на яких апаратах можна було б розміщувати ці системи, з огляду на послідовне зменшення їх габаритів. Про зростаючу актуальність цього питання говорять і результати недавніх досліджень, які показали, що, встановивши десятки SAR на мікро- або наносупутник, можна забезпечити значні технічні та економічні переваги в порівнянні з SAR на традиційних великих супутниках.

У міру розширення спектра можливих технічних рішень ускладнюється і завдання вибору оптимального балансу між робочими характеристиками радара і загальними параметрами проєкту по запуску супутника з SAR: наявністю вільних орбіт, типами радарів і супутників, їх фізичними габаритами та цілим рядом інших характеристик, таких як швидкість передачі даних і енергоспоживання. Складність цієї проблеми вимагає застосування ефективного обчислювального підходу при проєктуванні майбутніх місій спостереження Землі з використанням SAR.

В рамках проведеного недавно в Сколтехе дослідження була запропонована математична модель для створення оптимальних ескізних проєктів SAR. Для оптимізації характеристик SAR в моделі використаний так званий метод trade space exploration, назва якого складається з термінів trade-off («компромісне рішення») і playspace («ігровий простір»). Модель допоможе розробникам на стадіях попереднього проєктування оперативно оцінити і порівняти безліч варіантів з урахуванням альтернативних параметрів і вибрати оптимальні рішення для подальшого опрацювання.

Автори статті продемонстрували можливості моделі на прикладі радіолокаційних систем, призначених для установки на малі супутники різних типів. В результаті з 1265 можливих варіантів було відібрано 44 оптимальних проєктних рішення для різних радіочастот. Вчені прийшли до висновку, що для високочастотних радарів (4-8 ГГц і 8-12 ГГц) наносупутники використовувати можна, а для радарів діапазону 1-2 ГГц – немає.

У статті обговорюються умови, при яких можна забезпечити використання низькочастотних радарів на малих супутниках, а також межі можливості бути реалізованим і технічні обмеження як цільової апаратури, так і супутникової платформи. Відзначається, що основним обмеженням при побудові простору можливих варіантів SAR є частота повторення імпульсів. Саме цей параметр – найбільш серйозний обмежуючий фактор (навіть більш значущим, ніж енергоспоживання, розмір антени або швидкість передачі даних) при виборі обмеженої кількості реалізованих конфігурацій з великого набору варіантів.

У статті обговорюються умови, при яких можна забезпечити використання низькочастотних радарів на малих супутниках, а також межі можливості бути реалізованим і технічні обмеження як цільової апаратури, так і супутникової платформи. Відзначається, що основним обмеженням при побудові простору можливих варіантів SAR є частота повторення імпульсів. Саме цей параметр – найбільш серйозний обмежуючий фактор (навіть більш значущим, ніж енергоспоживання, розмір антени або швидкість передачі даних) при виборі обмеженої кількості реалізованих конфігурацій з великого набору варіантів.

Окремо вчені проаналізували радари для дуже мініатюрної платформи – CubeSat 3U, відібравши з приблизно 13 тисяч можливих варіантів 44 оптимальні конфігурації. В ході дослідження були розглянуті експлуатаційні обмеження, які необхідно враховувати при створенні такого роду інноваційних мініатюрних радарних систем.

В роботі зроблено висновок, що вони можуть бути реалізовані, якщо ізольовано розглядати сам інструмент, і пропонується в якості наступного кроку розглянути їх дизайн комплексно, з урахуванням інших параметрів місії, зокрема характеристик супутника. Представлена ​​в статті модель розроблена стосовно радіолокаційних систем, які встановлюються за на одному супутнику, проте в перспективі можна розглядати можливість її поширення і на супутникові угруповання, оснащені SAR.