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. 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 1 265 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 является наиболее серьезным ограничивающим фактором (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 тыс. 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.