А у нас самое большое научное СМИ в Telegram!
Подписаться
  • Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
04.10.2021
Сколтех
580

Проектирование радаров для спутников мониторинга окружающей среды станет проще

4.3

Исследователи Сколтеха Алессандро Голкар и Ксения Осипова, а также бывший студент Массачусетского технологического института (MIT), а ныне сотрудник Центра космических полетов имени Годдарда НАСА Джузеппе Каталдо разработали модель, с помощью которой уже на этапе эскизного проектирования можно будет создавать и отбирать наиболее перспективные конфигурации спутниковых радиолокационных систем. Новая модель обеспечит оптимизацию параметров этих быстроразвивающихся радаров, тем самым сокращая сроки и затраты на их внедрение, что в свою очередь позволит повысить качество картографирования и эффективность мониторинга штормов, наводнений, оползней и других стихийных бедствий.

Проектирование радаров для спутников мониторинга окружающей среды станет проще / ©Getty images

Результаты исследования, проводившегося в рамках сотрудничества между Сколтехом и MIT, опубликованы в журнале Acta Astronautica. Спутниковые изображения Земли используются для наблюдения за использованием сельскохозяйственных угодий, ледяным покровом океанов, изменениями прибрежных территорий и неблагоприятными погодными явлениями.

Наблюдения проводятся в различных диапазонах электромагнитного спектра, включая радиоволны. В отличие от оптических и инфракрасных систем, радиолокация эффективно работает при любой погоде, обеспечивая наблюдение заданного объекта независимо от освещения и наличия облачного покрова.

Однако, чтобы радар мог обеспечить такой же уровень разрешения, как аппаратура, работающая на более коротких волнах, сам он должен быть больше по размеру, что существенно осложняет размещение на спутнике. Один из способов решения этой проблемы — использование радаров с синтезированной апертурой (SAR), которые способны обеспечить высокое разрешение за счет искусственного увеличения апертуры, то есть «размера» антенны.

Если установить SAR на спутнике, он будет излучать импульс, находясь в одной точке орбиты, а принимать его, когда уже переместится в другую точку. Пройденное расстояние увеличивает виртуальный размер антенны так, что он значительно превышает ее физические габариты. В итоге при помощи сравнительно небольшой антенны получается качественное изображение.

Несмотря на возможность искусственного увеличения апертуры радара, SAR оставались достаточно громоздкими и энергозатратными и исторически ставились на большие и, следовательно, дорогостоящие спутники. Ситуация начала меняться, когда появились первые более компактные и легкие SAR, которые пока находятся на ранней стадии разработки, но стремительно развиваются и уже применяются для таких задач, как обнаружение и мониторинг разливов нефти.

С ростом количества малых спутников на орбите создатели SAR все чаще задаются вопросом, на каких аппаратах можно было бы размещать эти системы, учитывая последовательное уменьшение их габаритов. О растущей актуальности этого вопроса говорят и результаты недавних исследований, показавших, что, установив десятки SAR на микро- или наноспутниках, можно обеспечить значительные технические и экономические преимущества по сравнению с SAR на традиционных больших спутниках.

По мере расширения спектра возможных технических решений усложняется и задача выбора оптимального баланса между рабочими характеристиками радара и общими параметрами проекта по запуску спутника с SAR: наличием свободных орбит, типами радаров и спутников, их физическими габаритами и целым рядом других характеристик, таких как скорость передачи данных и энергопотребление. Сложность этой проблемы требует применения эффективного вычислительного подхода при проектировании будущих миссий наблюдения Земли с использованием SAR.

В рамках проведенного недавно в Сколтехе исследования была предложена математическая модель для создания оптимальных эскизных проектов SAR. Для оптимизации характеристик SAR в модели использован так называемый метод trade space exploration, название которого складывается из терминов trade-off («компромиссное решение») и playspace («игровое пространство»). Модель поможет разработчикам на  стадиях предварительного проектирования оперативно оценить и сравнить множество вариантов с учетом альтернативных параметров и выбрать оптимальные решения для дальнейшей проработки.

Авторы статьи продемонстрировали возможности модели на примере радиолокационных систем, предназначенных для установки на малые спутники различных типов. В итоге из 1265 возможных вариантов было отобрано 44 оптимальных проектных решения для различных радиочастот. Ученые пришли к выводу, что для высокочастотных радаров (4–8 ГГц и 8–12 ГГц) малые спутники использовать можно, а для радаров диапазона 1–2 ГГц — нет.

В статье обсуждаются условия, при которых можно обеспечить использование низкочастотных радаров на малых спутниках, а также пределы реализуемости и технические ограничения как целевой аппаратуры, так и спутниковой платформы. Отмечается, что основным ограничением при построении пространства возможных вариантов SAR является частота повторения импульсов. Именно этот параметр — наиболее серьезный ограничивающий фактор (даже более значимым, чем энергопотребление, размер антенны или скорость передачи данных) при выборе ограниченного числа реализуемых конфигураций из обширного набора вариантов.

Отдельно ученые проанализировали радары для очень миниатюрной платформы — CubeSat 3U, отобрав из примерно 13 тысяч возможных вариантов 44 оптимальные конфигурации. В ходе исследования были рассмотрены эксплуатационные ограничения, которые необходимо учитывать при создании такого рода инновационных миниатюрных радарных систем.

В работе сделан вывод, что они реализуемы, если изолированно рассматривать сам инструмент, и предлагается в качестве следующего шага рассмотреть их дизайн комплексно, с учетом прочих параметров миссии, в частности характеристик спутника. Представленная в статье модель разработана применительно к радиолокационным системам, устанавливаемым на одном спутнике, однако в перспективе можно рассматривать возможность ее распространения и на спутниковые группировки, оснащенные SAR.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
6 часов назад
Сергей Васильев

Считается, что неандертальцы жили в коллективах максимум в пару десятков особей. Однако на их стоянках обнаруживают останки исключительно крупных животных, добыть и съесть которых можно только командой, насчитывающей сотни человек.

Вчера, 10:49
Сергей Васильев

Американский стартап, занятый возвращением к жизни вымерших животных, объявил о начале работы с додо — почти легендарными птицами, которых люди перебили еще несколько веков назад.

8 часов назад
Василий Парфенов

Северная сумчатая куница — крупнейшее из всех млекопитающих, один или оба пола которого, как правило, не живут дольше одного брачного сезона. Долгое время ученые не могли уверенно сказать, почему самцы этих сравнительно больших животных (вес — 700-900 граммов) умирают после спаривания. Новое исследование объясняет наиболее вероятный физиологический механизм происходящего, а также вызывает серьезные опасения — из-за такой стратегии размножения вид снижает свои шансы на выживание.

27 января
Александр Березин

Игру 2013 года и выходящий с января 2023 года сериал по ней часто принимают за научную фантастику. То есть произведение, основанное на предположениях, не противоречащих науке. Однако вряд ли дело обстоит таким образом. Проблема в том, что создатели мира The Last of Us слишком некритично подошли как к научному фундаменту, на котором основан их мир постапокалипсиса, так и к тому, что думает наука о самой реальности «постапов». Naked Science пробует разобраться в деталях.

27 января
Сергей Васильев

Антропологи раскопали остатки центра массового изготовления обсидиановых рубил, где древние мастера Homo работали еще больше миллиона лет назад.

28 января
Анна Новиковская

Сегодня популяции многих видов пчел в упадке, и британские исследователи предложили еще один способ спасти этих насекомых: превратить часть кирпичей в стенах домов в «мини-ульи».

10 января
Алиса Гаджиева

Исследователи, изучающие систему обороны Великой стены, обнаружили следы более 130 секретных сквозных проходов и полагают, что это только начало.

25 января
Василий Парфенов

Пока фанаты SpaceX увлеченно следят за достижениями компании, астрономы грустно наблюдают, как их работа становится сложнее с каждым запуском спутников Starlink. Прогресс не проходит без жертв. Поэтому различные научные ассоциации ищут способы снизить негативное влияние множества новых рукотворных объектов в околоземном пространстве на качество данных, получаемых телескопами. Некоторые решения со стороны выглядят экстремальными — например, теперь лазеры для корректировки адаптивной оптики можно не выключать, если в поле зрения есть спутник Starlink. А это десятки ватт излучения!

5 января
Александра Медведева

Биологи показали, что нейронные сети гиппокампа, ответственные за пространственное восприятие, изменяются не линейным образом, а в соответствии с гиперболической геометрией. То есть мозг представляет пространство в форме расширяющихся песочных часов. Результаты исследования могут иметь значение для лучшего понимания различных нейродегенеративных расстройств.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: