新模型简化了用于环境监测的轨道雷达权衡研究

Skoltech的研究人员Alessandro Golkar和Ksenia Osipova，以及前麻省理工学院（MIT）学生Giuseppe Cataldo（目前在NASA戈达德航天飞行中心工作）在Skoltech-MIT合作的框架内，帮助工程师创建和选择最有前途的卫星雷达系统概念设计的模型。通过优化这些快速发展的仪器的设计，该模型促进了其更快、更具成本效益的引入，从而获得更好的地图以及风暴、洪水和滑坡监测。这项研究发表在《宇航学报》上。

地球卫星成像用于监测农业用地、海洋冰盖、海岸变化和恶劣天气事件。这些观测是在电磁频谱的不同波段进行的，包括无线电波。与光学或红外成像仪不同，雷达可以独立于照明来观察目标，绕过云层，在任何天气下都能正常工作。

然而，为了提供与较短波长仪器相同的分辨率，雷达的物理尺寸必须更大，因此很难安装在卫星上。解决这个问题的一种方法是使用合成孔径雷达。SARS通过人为增加孔径或天线“尺寸”来实现高分辨率。安装在卫星上的SAR发射雷达脉冲，并在脉冲返回之前移动一定距离，然后在不同的位置接收。然后，移动的距离会影响到天线的虚拟尺寸，就好像它要大得多一样，这意味着相对较小的天线可以获得更好的图像质量。

尽管有这种孔径膨胀的伎俩，SARS在历史上一直是由大型昂贵的卫星发射的，因为雷达仍然相当笨重，消耗了大量的能量。随着更小、更轻的非典型肺炎的出现，这种情况正在发生变化。这些设施处于开发的早期阶段，但发展很快，已经接管了漏油检测和监视等任务。

随着轨道上越来越小的卫星数量的增加，SAR工程师想知道哪些卫星是小型雷达的可行载体。这一点尤其重要，因为最近的研究表明，如果将成本效益考虑在内，几十个所谓的基于微卫星或纳米卫星的SARS协同工作可能会大大超过传统的大型SAR任务。

随着选项范围的扩大，平衡雷达性能特征与SAR发射任务的其他参数变得越来越具有挑战性。所涉及的一些变量是可用的轨道、雷达和卫星模型及其物理尺寸和一系列特性，如数据速率和功耗。这种复杂性需要一种计算方法来支持未来基于SAR的地球观测任务的设计。

为了解决这一问题，Skoltech领导的一项最新研究提出了创建最佳SAR概念设计的数学模型。该模型通过一种称为贸易空间探索的方法优化SAR特性。这个术语是“权衡”和“游戏空间”的组合，意味着该模型将帮助早期设计师分析过程中涉及的众多权衡，快速评估许多设计备选方案，并确定要追求的最佳解决方案。

本文通过观察各种小型卫星平台上的雷达仪器，证明了该模型的实用性：1265种可行的雷达设计被缩小到不到44种，适用于不同的无线电频率。研究人员得出结论，小型卫星是更高频率的8-12 GHz和4-8 GHz雷达的可行平台，但不是1-2 GHz频段的。讨论了使后一类SARS可行的条件，以及相关仪器和航天器要求的可行性界限和技术限制。脉冲重复频率成为SAR交易空间的主要限制因素。换句话说，这一特性是功耗、天线尺寸、数据速率等之前最重要的因素，可以将雷达配置缩小到一组有限的可行设计。

在另一项分析中，该团队考虑了非常小的3U CubeSat平台的雷达，在大约13000个可行候选方案中确定了44个最佳设计。这项研究探讨了开发此类创新小型雷达所需的操作限制。作者得出结论，从仪器层面来看，立方体卫星的SARS是可行的，并建议在任务层面上考虑立方体卫星的设计以及对航天器设计的影响。

研究中提出的模型适用于安装在单个卫星上的雷达系统。然而，它可以在未来扩展到考虑将SAR卫星组合成星座的方法。