Zwermen kleine satellieten kunnen onderling communiceren om gegevens te verzamelen over belangrijke weerpatronen op verschillende tijdstippen van de dag of het jaar, en vanuit meerdere hoeken. Zulke zwermen, met behulp van machine learning-algoritmen, zou een revolutie teweeg kunnen brengen in het begrip van wetenschappers over weers- en klimaatveranderingen.

Ingenieur Sabrina Thompson werkt aan software om kleine ruimtevaartuigen mogelijk te maken, of SmallSats, om met elkaar te communiceren, identificeren van hoogwaardige observatiedoelen, en coördineer houding en timing om verschillende visies op hetzelfde doelwit te krijgen.

"We weten al dat stof uit de Sahara dat naar de Amazone-regenwouden waait, in bepaalde periodes van het jaar invloed heeft op de wolkenvorming boven de Atlantische Oceaan. " zei Thompson, die werkt bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "Hoe leg je die wolkenformatie vast? Hoe vertel je een zwerm satellieten in welke regio en op welk tijdstip van de dag dat fenomeen het beste kan worden waargenomen?"

Volgens het plan van Thompson, wetenschappers zouden een reeks vereisten voor observaties opstellen en hoogwaardige doelen definiëren. Dan zou de software het overnemen, waardoor een zwerm ruimtevaartuigen kan bepalen hoe ze zich ten opzichte van elkaar moeten verplaatsen om deze doelen het beste te kunnen observeren. Strategieën kunnen ook veranderen op basis van het tijdstip van de dag, seizoen, of de regio die wordt geobserveerd. Het ruimtevaartuig zou ook machine learning aan boord gebruiken om de kijkstrategieën in de loop van de tijd te verbeteren.

"Er worden verschillende soorten zwermconfiguratie overwogen, "Zei Thompson. "De ene kan een zwerm zijn waar satellieten in verschillende banen zullen zijn, waardoor ze een wolk of ander fenomeen vanuit verschillende hoeken kunnen bekijken. Een andere zwerm zou dezelfde verschijnselen met een soortgelijke kijk kunnen zien, maar op verschillende tijdstippen van de dag. Een derde type zwerm kan beide combineren, met enkele satellieten in dezelfde baan, elkaar opvolgen met enige tijdsverschil, en andere satellieten die zich in banen met verschillende hoogten en/of hellingen kunnen bevinden."

Terwijl een zwerm in dezelfde baan zou blijven, individuele ruimtevaartuigen zouden zelfs iets kunnen gebruiken dat differentiële weerstandscontrole wordt genoemd - het manipuleren van de krachten die worden veroorzaakt door de atmosfeer van de aarde die tegen het ronddraaiende vaartuig sleept - om de tijdsscheiding tussen elk ruimtevaartuig ten opzichte van anderen in de zwerm te regelen, ze zei. "De tijd die nodig is om een ​​differentiële weerstandsmanoeuvre uit te voeren, hangt af van de massa en het gebied van het ruimtevaartuig, evenals de orbitale hoogte. Bijvoorbeeld, het kan een jaar duren of een paar dagen, zelfs uren."

"Met meerdere ruimtevaartuigen in één formatie om hetzelfde doel te bekijken, ’ Thompson zei:"je kunt een wolk zien, bijvoorbeeld, niet alleen van bovenaf, maar ook van opzij." In een andere formatie, je kunt die cloud in verschillende stadia van zijn levenscyclus zien vanuit meerdere SmallSats die op verschillende tijdstippen passeren.

In samenwerking met professor Jose Vanderlei Martins, professor aan de Universiteit van Maryland-Baltimore County (UMBC), Thompson hielp bij de ontwikkeling van de Hyper-Angular Rainbow Polarimeter (HARP) CubeSat die iets meer dan een jaar geleden vanuit het International Space Station (ISS) werd gelanceerd. Een bijgewerkte versie van zijn instrumentatie, genaamd HARP2, zal vliegen op het Plankton, Aërosol, Wolk, ocean Ecosystem (PACE) missie gepland voor lancering in 2023.

Een zwerm SmallSats zoals HARP, het delen van informatie en het coördineren van dekking, weersvoorspellingen kunnen vooruitgaan, rampenrapportage, en klimaatmodellering op de lange termijn, aldus Vanderlei Martins. Om daar te komen, wetenschappers hebben de combinatie van brede en smalle gezichtsvelden en beelden met een hoge resolutie nodig om de dynamiek van de ontwikkeling van weersystemen beter te begrijpen.

"Ideaal, Ik heb graag een satelliet met een breed gezichtsveld die grotere fenomenen waarneemt, "zei hij. "Echter, een kleine satelliet die een groot gebied bestrijkt, kan geen waarnemingen met een hoge ruimtelijke resolutie maken. Hoe dan ook, u kunt het gebruiken als een soort landmeter-satelliet om het interessegebied te identificeren. Dan heb je anderen met een smaller gezichtsveld, hogere resolutie krijgen, veel meer details krijgen."

Het is cruciaal dat de zwerm beslissingen kan nemen en informatie kan delen. Vanderlei Martins zei:"Dit soort beslissingen moeten in enkele minuten worden genomen. Je hebt geen tijd om de grondcontrole erbij te betrekken."

Thompson merkte op dat het verminderen van de afhankelijkheid van grondcontrole- en communicatienetwerken ook middelen vrijmaakt voor SmallSat-missies met beperkte budgetten.

Als lucht- en ruimtevaartingenieur die werkt aan een graad in atmosferische natuurkunde aan de Universiteit van Maryland, Baltimore County, Thompson ging terug naar school om meer te leren over de aardwetenschappelijke vereisten die haar werk als innovator drijven. "Ik wilde ook heel graag klimaatverandering begrijpen."

Hoe aërosoldeeltjes en wolken op elkaar inwerken, is cruciaal voor het begrijpen van klimaatverandering. Polarimeters kunnen een schat aan gegevens opleveren over deeltjes die in de atmosfeer zweven - van rook, as, en stof tot waterdruppels en ijs, elke soort deeltje polariseert het licht dat erop wordt gereflecteerd op detecteerbare manieren.

"Op basisniveau mijn onderzoek omvat het evalueren van de geometrie tussen instrumenten op de satelliet en de zon, Thompson zei. „Deze instrumenten zijn passief. Ze hebben een bepaalde geometrie nodig ten opzichte van het gronddoel en de zon om de wetenschappelijke gegevens op te halen die we willen."

Haar algoritmen zullen de meest geschikte combinaties van de baan en het gezichtsveld van het instrument bepalen om de grootste kans te geven om een ​​wolk te observeren met de juiste geometrie om wetenschappelijke gegevens op te halen. Vervolgens zou het manoeuvreerschema's voor elk ruimtevaartuig plannen en uitvoeren om die geometrieën te bereiken ten opzichte van de andere satellieten in de zwerm.

Dit werk om de structuur en ontwikkeling van wolken te begrijpen, sluit aan bij het Atmosphere Observing System, of AOS, (voorheen de Aerosols and Clouds, Convectie- en neerslagstudie geïdentificeerd als een prioriteit in de Earth Decadal Survey van 2017. Vanderlei Martins en Thompson geloven dat hun zwermtechnologie een aanvulling is op de wetenschappelijke doelstellingen van AOS en de aanstaande NASA-aardwetenschappelijke missies zou kunnen verbeteren.