MEO SAR σύλληψη συστημάτων και τεχνολογιών για τηλεπισκόπηση της γης

Από RemoteSensing Wiki

Τα νέας τεχνολογίας συστήματα InSAR μπορούν να αποτελέσουν τη βάση για την πρόβλεψη σεισμών μέσα σε χρονικό πλαίσιο 20 ετών. Τέτοια συστήματα θα πρέπει να παρέχουν χρονική ανάλυση, έτσι ώστε η αρχιτεκτονική των συστημάτων πρέπει να επιτρέπει την κάλυψη μεγάλης περιοχής για να ελαχιστοποιήσει τον αποτελεσματικό συμβολομετρικό χρόνο επανάληψης. Αυτή η εργασία μιλά για τα πλεονεκτήματα της κάλυψης που συνδέονται με της Μέσης της Τροχιά (MEO) InSAR συστήματα στην παρατήρηση των γεωφυσικών φαινόμενων. Η αρχιτεκτονική αυτών των συστημάτων απαιτεί την χρήση μεγάλων κεραιών ραντάρ και αυτή η εργασία επίσης παρουσιάζει τις απόψεις για τις νέες τεχνολογίες κεραιών που μπορεί να έχουν επαναστατικές μειώσεις στις κεραίες μαζικής πυκνότητας μεγάλου ανοίγματος ραντάρ.

1. Εισαγωγή

Τα μελλοντικά δορυφορικά συστήματα μπορεί να παρέχουν τις απαραίτητες μετρήσεις για την πρόβλεψη σεισμών μέσα σε βάθος εικοσαετίας. Τέτοια συστήματα παρατήρησης θα μπορούσαν να φέρουν πολλά οφέλη, αλλά για να πραγματοποιηθούν αυτά τα οφέλη, το σύστημα θα πρέπει να πληρεί κάποιες προϋποθέσεις. Οι αρχιτεκτονικές για αυτά τα συστήματα είναι το θέμα αυτής της εργασίας. Η αξία των δορυφορικών γεωδαιτικών τεχνικών έχει ήδη αποδειχθεί και οι προεκτάσεις της στα νέας τεχνολογίας συστήματα για παρατήρηση των μεταμορφώσεων του φλοιού είναι το λογικό επόμενο βήμα για την πρόγνωση των σεισμών. Την τελευταία δεκαετία, οι παρατηρήσεις με βάση τα δεδομένα από τις τεχνικές GPS και InSAR παρείχαν σημαντικές πληροφορίες στην κατανόηση της φυσικής των σεισμών, της επιστήμης της ροής ύλης στον φλοιό και στις αλληλεπιδράσεις. Σύγχρονα μοντέλα με αυτές τις πληροφορίες προβλέπουν ότι η γνώση των μεταμορφώσεων των χωρικών και χρονικών σημάτων που θα παρακολουθούνται από τα δορυφορικά συστήματα μπορεί να αυξήσει την ικανότητα μας να περιορίσουμε τις τοποθεσίες των μελλοντικών σεισμών. Έτσι προέκυψε η ανάγκη για μέτρηση της παραμόρφωσης του φλοιού με L-Band InSAR.

Ενώ η ακρίβεια των InSAR μετρήσεων είναι βασική προϋπόθεση του συστήματος μια άλλη προϋπόθεση μεγάλης σημασίας είναι η ανάγκη για επαναλήψεις. Η χρονική δειγματοληψία χρειάζεται, ώστε τα προκαταρκτικά φαινόμενα να ξεχωρίζουν από τα σεισμικά , τα μετασεισμικά, τα μετέπειτα σημάδια που ακολουθούν τον σεισμό. Πιο συχνές μετρήσεις οδηγούν σε καλύτερα μοντέλα σεισμών και αλληλεπιδράσεων. Επίσης οι συχνές δειγματοληψίες επιτρέπουν καλύτερη ανάλυση. Η προϋπόθεση για χρονική δειγματοληψία και για μικρής τροχιάς επαναλήψεις είναι το βασικό κίνητρο για την αρχιτεκτονική του συστήματος. Η εργασία παρουσιάζει τα σημεία υπεροχής του MEO και τα πλεονεκτήματα του σε σχέση με το LEO στο να επιτύχει τις προϋποθέσεις της επιστήμης με τις λιγότερες δυνατές κεραίες. Η αρχιτεκτονική MEO έχει περισσότερες απαιτήσεις από το όργανο InSAR. Ίσως η μεγαλύτερη τεχνολογική πρόκληση στον χειρισμό ενός οργάνου MEOSAR είναι η μεγάλη κεραία. Συνεπώς η εργασία αυτή ασχολείται με τεχνολογίες για μεγάλες ελαφριές κεραίες που μπορούν να πραγματοποιήσουν την πρόβλεψη σεισμών.

2. Αρχιτεκτονική ΜΕΟ

Η επιλογή τροχιάς είναι ίσως το πιο καθοριστικό βήμα στην αρχιτεκτονική του συστήματος InSAR και επειδή η ανάλυση της εικόνας από αισθητήρα SAR μπορεί να γίνει ανεξάρτητα από την απόσταση, η κάλυψη της γης είναι πιθανόν το πιο σχετικό μέτρο στην επιλογή τροχιάς. Μεγαλύτερη κάλυψη συνεπάγεται μικρότερες επαναλήψεις και έτσι υψηλότερη χρονική ανάλυση και πιο πολλά δεδομένα των περιοχών.

Οι αισθητήρες SAR είναι όργανα που βλέπουν πλευρικά και συλλέγουν δεδομένα σκανάροντας από αριστερά προς τα δεξιά της επίγειας πλατφόρμας στο σημείο ναδίρ με το αμφίπλευρο ορατό πλάτος τους σκαναρίσματος. Το αποτέλεσμα σχετίζεται με την επιφάνεια του εδάφους που σαρώνεται από το SAR, αν και πρέπει να σημειωθεί ότι το SAR δεν μπορεί απαραίτητα να λάβει δεδομένα από ολόκληρη την περιοχή ταυτόχρονα.

Το ποσοστό κάλυψης της γης από ένα SAR φαίνεται στο σχήμα 1 υποθέτοντας ότι τα δεδομένα λαμβάνονται μόνο από τις πλευρές, όπου τα SAR σκαναρίσματα περιορίζονται από το εύρος των επιτρεπόμενων στο έδαφος γωνιών συχνότητας του σήματος. Οι καμπύλες κορυφώνονται στα ύψη γύρω στα 3000km, επειδή την ορατή ζώνη αυξάνεται σε ύψος , καθώς η ταχύτητα της πλατφόρμας στο ναδίρ μειώνεται σε ύψος.

Το γενικό συμπέρασμα είναι ότι τα ύψη γύρω στα 2000-5000 km μπορεί να είναι πιο ευνοϊκά από την άποψη κάλυψης της γης. Οι ακριβείς θέσεις των κορυφών στις καμπύλες εξαρτώνται από τις υποθέσεις σε επίπεδο συστήματος. Επίσης πρέπει να σημειωθεί ότι για συνεχή κάλυψη, όπως π.χ. σε περιπτώσεις για αντιμετώπιση καταστροφών, το μονέλο του σχήματος 1 είναι ανεπαρκές. Σε αυτήν την περίπτωση πιο υψηλές τροχιές (10.000-14.000km) θα ήταν πιο αποτελεσματικές στο να προσφέρουν στιγμιαία παγκόσμια πρόσβαση Τα θέματα που σχετίζονται με το απαιτούμενο μέγεθος και την πολυπλοκότητα της κεραίας SAR περιορίζουν το σχέδιο της αρχιτεκτονικής της παρατηρήσης. Για να αποφύγουμεrange-Doppler ασάφειες το άνοιγμα της κεραίας SAR θα πρέπει να έχει μια ελάχιστη προβλεπόμενη περιοχή Α>=Κφδξξδ , όπου ρ είναι το εύρος κλίσης, λ είναι το μήκος κύματος, ν η σχετική ταχύτητα της πλατφόρμας, θinc είναι η γωνία προσβολής,c είναι η ταχύτητα του φωτός και κ είναι ένας συνεχής σχεδιασμός (συνήθως 1.2-1.5 για σύστημα με έναν πόλο). Τα μεγαλύτερα ύψη λοιπόν χρειάζονται μεγαλύτερες κεραίες για μεγαλύτερη δύναμη μετάδοσης. Για αυτό τα μεγάλα ύψη προτάσσουν προηγμένη τεχνολογία για μεγάλες και ελαφριές κεραίες. Εδώ να περιγράψουμε σύντομα τα αποτελέσματα για μια ανάλυση κάλυψης ενός SAR, που λειτουργεί σε ύψος περίπου 3000km. Η κλίση της τροχιάς είναι 112ο και η τροχιά επαναλαμβάνεται κάθε δύο ημέρες. Το σημείο μελέτης υπολογίζει ένα L-Band άνοιγμα κεραίας στα 10x40m, το οποίο μπορεί να κατευθύνεται να κοιτά είτε αριστερά, είτε δεξιά από την παρακολούθηση εδάφους. Αν και ένα τέτοιο άνοιγμα κεραίας θα χρειαζόταν τεχνολογία, που θα συζητηθεί παρακάτω, ο αισθητήρας θα είναι ικανός να συλλέξει δεδομένα παγκοσμίως σε γωνίες συχνότητας εδάφους στις 15-65ο και αντίστοιχα να κοιτά γωνίες από 10-38ο. Καθώς όλα τα σημεία θα ήταν ορατά στο έδαφος πολλαπλές φορές κατά την διάρκεια τροχιάς των δύο ημερών, ο μεγαλύτερος χρόνος αναμονής πριν από την απεικόνιση κάθε δεδομένης περιόδου θα ήταν της τάξης των 12 ωρών για ένα μόνο δορυφόρο. Ο χρόνος αναμονής και ο αποτελεσματικός χρόνος επανάληψης θα μπορούσε να μειωθεί περισσότερο με την χρήση μιας ομάδας αστερισμού από δορυφόρους.

Καθώς το σύστημα μπορούσε να παρέχει παγκόσμια κάλυψη με ποικιλία από γεωμετρίες, η τρισδιάστατη ακρίβεια μετατόπισης του συστήματος θα ήταν εξαιρετική για τα περισσότερα μέρη του κόσμου. Επίσης το σύστημα θα μπορούσε να παρέχει πλήρη κάλυψη της φης μεταξύ+-84ο πλάτος σε γωνίες μεταξύ 20-45ο. Σε αυτές τις πιο απότομες γωνιές περιοχή της κεραίας θα ήταν αρκετή για παλωσιμετρική λειτουργία, η οποία θα μπορούσε να εξαιρεθεί πιο εύκολα η βλάστηση από την καταγραφή της υφέρπουσας επιφάνειας. Η πολωμέτρηση θα ευνοούσε επίσης άλλους τύπους μετρήσεων, αν και δεν υπήρξε κίνητρο σχεδιασμού για αυτήν την ανάλυση.

Το InSAR σύστημα αυτής της μελέτης θα παρακολουθεί την περιοχή 78% του χρόνου, πολύ περισσότερο από το αντίστοιχο LEO σύστημα. Με αρκετή δύναμη, αποθήκες δεδομένων και ικανότητα downlink, το σύστηνα μπορεί να παρέχει μεγαλύτερο όγκο χρήσιμων δεδομένων από ό,τι από κάποια πιο χαμηλά τροχιά. Το μεγαλύτερο ύψος επίσης θα επέτρεπε στους downlink σταθμούς να έχουν εικόνα με μεγαλύτερη διάρκεια σε κάθε πέρασμα, αν και μπορούμε να οραματισθούμε ένα καλύτερο σύστημα επικοινωνίας, αν υποθέσουμε μια ομάδα δορυφόρων.

Είναι εμφανές ότι ακόμα πιο υψηλές τροχιές θα ήταν πιο ελκυστικές, εάν χρειάζονταν σχεδόν στιγμιαία πρόσβαση. Η ικανότητα να υπάρχει συνεχής εικόνα για μια περιοχή ενδιαφέροντος, θα μπορούσε καλύτερα να πραγματοποιηθεί από μια ομάδα αισθητήρων σε μεγαλύτερο ύψος. Παλαιότερη μελέτη εξέτασε την κάλυψη από μια ομάδα 10 δορυφόρων γεωσύγχρονων SAR και απέδειξε ότι οι περισσότερες περιοχές στο έδαφος θα μπορούσαν να απεικονίζονται συνεχώς για πολλές ώρες. Ωστόσο οι γεωστατικές τροχιές δεν είναι χρήσιμες, επειδή οι αισθητήρες SAR χρειάζονται σχετική κίνηση μεταξύ της πλατφόρμας και της επιφάνειας της γης. Ενώ οι γεωσύγχρονες με κλίση τροχιές παραμένουν πάνω από καθορισμένα ύψη της γης και μπορούν να φανούν χρήσιμες για την καλύτερη κάλυψη συγκεκριμένων περιοχών, αυτό ωστόσο μπορεί να αποδειχθεί μη αποτελεσματικό, εάν απαιτείται παγκόσμια κάλυψη. Σε αυτές τις περιπτώσεις, τα πλεονεκτήματα των γεωσυγχρονων τροχιών προκύπτουν κυρίως από τα μεγάλα ύψη, όχι από την γεωσυγχρονικότητα. Υψηλές MEO τροχιές (10.000-25.000 km) μπορούν συνεπώς να παρέχουν παρόμοια πλεονεκτήματα στην πλήρη κάλυψη της γης με χαμηλό κόστος.

Οι μελέτες μας προτείνουν ότι μια ομάδα 9 δορυφόρων MEO SAR σε ύψος 14.000km μπορεί να παρακολουθεί τις περισσότερες περιοχές στην επιφάνεια για περισσότερο από 50% του χρόνου με κενά κάλυψης όχι μεγαλύτερα από 2 ώρες. Μια ομάδα 6 δορυφόρων στα 20.000km μπορεί να παρακολουθεί τις Η.Π.Α. συνεχώς, αν και δεν παρέχει παγκόσμια κάλυψη.

3. Επιτρεπόμενες Τεχνολογίες

Παράλληλα με τα πλεονεκτήματα, οι αρχιτεκτονικές MEO έχουν και πολλές προκλήσεις. Πρώτο και κύριο χρειαζόμαστε επαναστατικές τεχνολογίες για κεραίες που επιτρέπουν τόσο πολύπλοκα συστήματα. Αυτές οι μεγάλες κεραίες θα ήταν πρόκληση να χτιστούν, να αναπτυχθούν και να συντηρηθούν. Υπολογίζεται ότι χρειαζόμαστε κεραίες με μάζα πυκνότητας 2 με 4kg/m2, που να επιτρέπουν το μεγάλο άνοιγμα (10x40). Αυτές οι μάζες πυκνότητας εμπεριέχουν τη δομή στήριξης της κεραίας, το άνοιγμα και όλα τα ηλεκτρονικά της κεραίας.

Ένας τρόπος για να πετύχουμε τη μείωση στη μάζα πυκνότητας είναι η χρήση ενός λεπτού φιλμ μεμβράνης για το άνοιγμα της κεραίας μαζί με χαμηλότερης μάζας δομές στήριξης. Το σχ. 4 δείχνει ένα παράδειγμα κεραίας με μεμβράνη. Ωστόσο, ένα σύστημα με λογιότερη δομική στήριξη είναι επιτρεπτές σε παραμορφώσεις της επιφάνειας και λάθη. Για τις σταδιακές συστοιχίες, η απόλυτη γνώση και ο έλεγχος φάσης του εμπρόσθιου κύματος είναι η κινητήρια απαίτηση. Η φυσική μετατόπιση και η συνιστώσα φάση συνεισφέρουν και τα δύο στην παραμόρφωση της “φάσης επιφάνειας” μιας ενεργής παράταξης. Οι κεραίες μεμβράνης διαφέρουν από τις κανονικές, οι άκαμπτες σταδιακές συστοιχίες σε αυτή τη φυσική μετατόπιση μπορεί να είναι ένας σημαντικός συντελεστής στο εμπρόσθιας - φάσης λάθος και μπορεί να αλλάξει χρονικά και χωρικά. Επομένως, για μια κεραία μεμβράνης χωρίς άκαμπτη δομή στήριξης, εξελιγμένη μετρολογία και βαθμονόμηση είναι απαραίτητα. Αυξάνοντας τη δομική στήριξη της κεραίας ή του προσαρμοστικό έλεγχο ανοίγματος είναι δύο βασικές μέθοδοι για τη διατήρηση της απαιτούμενης φάσης σταθερότητας μιας διάταξης μεμβράνης. Η μάζα, η πολυπλοκότητα και το κόστος των άκαμπτων πολύπλευρων και βασισμένων σε μεμβράνες συστημάτων. Χρειάζεται να μελετηθούν προσεκτικά σε σχέση με την επίδοση. Βραχυπρόθεσμα, μια κεραία μεμβράνης με περισσότερη στήριξη δομής θα μπορούσε να είναι μια αποδεκτή λύση με περισσότερα μηχανολογικά συστήματα, καθώς η τεχνολογία ωριμάζει.