新模型将优化用于环境监测的星载卫星合成孔径雷达的设计

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2021年10月4日，俄罗斯斯科尔科沃科学技术研究院（Skolkovo Institute of Science and Technology）和美国航空航天局（NASA）戈达德太空飞行中心（Goddard Space Flight Center）的研究人员联合开发出一款新模型，将其用于小卫星合成孔径雷达（SAR）系统概念设计，成功确定了立方体卫星（CubeSat）上SARs的44个可行设计点，并提出了综合研究，以考虑它们在任务级的性能。相关成果将帮助设计人员快速确定最佳设计方案。该成果以《小卫星合成孔径雷达(SAR)设计：一种权衡空间探索模型》（Small satellite synthetic aperture radar (SAR) design: A trade space exploration model）为题发表在《星际航行学报》（Acta Astronautica）上。
近年来，随着在轨小型卫星数量的不断增加，SAR工程师想知道其中哪些是小型化雷达的可行载体。这一点尤其重要，因为最近的研究表明，如果将成本效率考虑在内，数十个所谓的基于微型或纳米卫星的SARS协同工作可能会大大优于传统的大型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。涉及的一些变量是可用轨道、雷达和卫星模型及其物理尺寸和许多特性，例如数据速率和功耗。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。为了解决这个问题，由Skoltech主导的一项研究提出了一个用于创建最佳SAR概念设计的数学模型。该模型使用称为“权衡空间探索”（trade space exploration）的方法优化SAR性，将帮助早期设计师分析过程中涉及的众多权衡，快速评估众多备选方案并确定最佳解决方案。研究通过两个案例论证了协定空间模型的实用性。第一项研究着眼于在大范围的小型卫星平台上使用的雷达仪器。针对不同的无线电频率，该研究将1265个可行雷达设计的交易空间缩小到小于44个不同中心频率(C-和x-波段)的帕累托（Pareto）优化设计，得出了L波段SAR可行性的条件，并讨论了相关仪器和航天器需求的可行性界限和技术约束。研究提出，脉冲重复频率是SAR协定空间的主要限制性约束因素。第二项研究考虑3U CubeSat平台的雷达。该研究在12 928个可行设计中确定了44个帕累托（Pareto）优化设计，并阐明了发展这种创新小型化雷达所需的操作限制。研究得出结论是，立方体卫星的SARS从仪器级的角度是可行的，并建议考虑其任务级设计及其对航天器设计的影响。
研究人员表示，该研究证实了所提出的星载SAR模型的广泛适用性，从传统的大型SAR天线到小型卫星平台的更紧凑的SAR，可以支持概念设计阶段的SAR仪器设计工作。该研究中提出的模型适用于安装在单一卫星上的雷达系统。在未来还将有可能得到扩展，以考虑将SAR卫星组合成星座的方法。
转载本文请注明来源及作者：中国科学院兰州文献情报中心《地球科学动态监测快报》2021年第21期，刘文浩 编译。