Microwave Radiometer Technology Acceleration (MiRaTA) satelliten, en 3U CubeSat, visas med solpaneler helt utplacerade, flankerar rymdfarkostens kropp, som har en cirkulär öppning upptill för mikrovågsradiometerns antenn, används för atmosfärsvetenskapliga mätningar. Det finns också två små, tunna måttbandsantenner på toppen, används för UHF-radiokommunikation med markstationen. Kredit:MIT Lincoln Laboratory
Bakom varje väderprognos – från din lokala, fem dagars förutsägelse till en sen uppdatering av orkanspår – är satelliterna som gör dem möjliga. Statliga myndigheter är beroende av observationer från vädersatelliter för att informera prognosmodeller som hjälper oss att förbereda oss för annalkande stormar och identifiera områden som behöver evakueras eller räddningspersonal.
Vädersatelliter har traditionellt sett varit stora, både i den ansträngning som krävs för att bygga dem och i verklig storlek. De kan ta flera år att bygga och kan bli stora som en liten skolbuss. Men allt detta kan förändras i framtiden med hjälp av en satellit i skokartong som kommer att börja kretsa runt jorden senare denna månad.
Den NASA-finansierade CubeSat, kallas Microwave Radiometer Technology Acceleration (MiRaTA), kommer att skjutas upp i jordens omloppsbana från raketen som bär nästa stora amerikanska vädersatellit (NOAA:s JPSS-1) ut i rymden. MiRaTA är designat för att visa att en liten satellit kan bära instrumentteknik som kan minska kostnaderna och storleken på framtida vädersatelliter och har potential att rutinmässigt samla in tillförlitlig väderdata.
Mikrovågsradiometrar är ett av arbetshästinstrumenten ombord på dagens vädersatelliter. Dessa känsliga instrument mäter radiofrekvenssignaler relaterade till den termiska strålningen som sänds ut av atmosfäriska gaser, som molekylärt syre och vattenånga, och även upptäcka partiklar som molnis. Dessa data är viktiga indata för modeller som spårar stormar och andra väderhändelser. Att kalibrera dessa radiometrar är viktigt för att hålla dem från att driva så att deras data kan användas för exakta väder- och klimatmodeller. Därför, ett kalibreringsmål ingår vanligtvis i satelliten för att hjälpa radiometern att behålla sin noggrannhet.
Miniatyrisering av mikrovågsradiometerinstrument för att passa på en CubeSat leder till utmaningen att hitta ett kalibreringsinstrument som inte bara är exakt utan också kompakt, sa Kerri Cahoy, huvudutredare för MiRaTA och docent vid institutionen för flyg- och astronautik vid Massachusetts Institute of Technology. "Du har inte plats för de skrymmande kalibreringsmålen som du normalt skulle använda på större satelliter, ", sa Cahoy. "Kalibreringsmål för mikrovågsradiometer på större satelliter kan vara storleken på en brödrost, men för CubeSats, det måste vara lika stort som en kortlek."
Cahoy och hennes kollega William Blackwell, mikrovågsradiometerinstrumentledningen vid MIT Lincoln Laboratory, har kommit på en lösning baserad på en teknik som hon studerade på forskarskolan kallad radioockultation (RO), varvid radiosignaler som tas emot från GPS-satelliter i en högre omloppsbana används för att mäta temperaturen i samma volym atmosfär som radiometern tittar på. GPS-RO temperaturmätningen kan sedan användas för att kalibrera radiometern.
"I fysikklassen, du lär dig att en penna nedsänkt i vatten ser ut att ha gått sönder på mitten eftersom ljuset böjs annorlunda i vattnet än i luften, " sa Cahoy. "Radiovågor är som ljus genom att de bryts när de går igenom växlande luftdensiteter, och vi kan använda storleken på brytningen för att beräkna temperaturen i den omgivande atmosfären med nästan perfekt noggrannhet och använda detta för att kalibrera en radiometer."
År 2012 utfärdade NASA:s In-Space Validation of Earth Science Technologies (InVEST) program en begäran om teknikdemonstrationsförslag, vilket fick Blackwell och Cahoy, som då undervisade vid MIT, satte sin teori på prov genom att erbjuda ett projekt till Cahoys elever i hennes sensor- och instrumenteringsklass för att avgöra om idén var genomförbar. När två elever genom datormodellering visade att radioockultation verkligen kunde fungera för radiometerkalibrering, Cahoy och Blackwell frågade The Aerospace Corporations Rebecca Bishop, som har utvecklat GPS-RO-mottagare för CubeSats, att gå med i laget. De lämnade sedan in ett fullständigt förslag för MiRaTA till NASA, som gav grönt ljus för finansiering våren 2013.
Att bygga MiRaTA var ett lagarbete. Bishop modifierade en hylla, billig GPS-mottagare för att göra radioockultationsmätningar för kalibrering; MIT Lincoln Laboratory och University of Massachusetts Amherst tillämpade sina ingenjörskunskaper för att ytterligare miniatyrisera mikrovågsradiometern; och Cahoy och hennes studentteam, guidad av expertmentorer vid MIT Lincoln, byggde satelliten som skulle hysa allt.
"Att bygga en CubeSat kan vara svårt eftersom du måste sätta i batterier, en radio, en dator, dina instrument, hjul som du snurrar för att tippa och vända din satellit, och vikta solpaneler och antenner till ett mycket litet utrymme, ", sa Cahoy. "Och du använder utrymmesekvivalenten med tejp och superlim för att begränsa denna röra av kablar och kontakter och få in den i sitt hölje.
"Men, " tillade Cahoy, "det hårda arbetet kommer verkligen att löna sig i fantastiska vetenskapliga data om allt går som planerat."
I bästa fall, tre veckor efter lanseringen kommer MiRaTA att vara fullt operativ, och inom tre månader kommer teamet att ha erhållit valideringsdata från både radiometern och GPS-mottagaren. Det stora målet för uppdraget – att förklara teknikdemonstrationen som en framgång – skulle bekräftas lite längre fram, minst ett halvår kvar, efter dataanalysen.
Om MiRaTAs teknologivalidering lyckas, Cahoy sa att hon föreställer sig en eventuell konstellation av dessa CubeSats som kretsar runt hela jorden, ta ögonblicksbilder av tillståndet i atmosfären och vädret var 15:e minut – tillräckligt ofta för att spåra stormar, från snöstormar till orkaner, i realtid. "Vårt mål är att våra radiometrar ska fungera lika bra som de på aktuella vädersatelliter och kunna tillhandahålla den typ av data som hjälper myndigheter och människor i vägen för en naturkatastrof att förbereda sig tidigt och klokt, " Hon sa.
"Detta är ett mycket spännande uppdrag eftersom det kommer att vara den första demonstrationen i omloppsbana av ett allväder, trefrekvensradiometer CubeSat som använder atmosfärisk GPS-RO-baserad kalibrering, " sa Charles Norton, NASA Jet Propulsion Laboratory, en programassistent vid NASA:s Earth Science Technology Office (ESTO) och uppgiftshanteraren för MiRaTA. "Det är ett sant bevis på kreativiteten och innovationen hos de inblandade teamen att de utvecklar mättekniker för framtida små satellitkonstellationsuppdrag, " han sa, samtidigt som man lägger till att Utah State Universitys Space Dynamics Laboratory och NASA Wallops Flight Facility stödjer markstationer och uppdragsverksamhet för CubeSat.
MiRaTA och andra geovetenskapliga InVEST-uppdrag finansieras och hanteras av NASA:s ESTO-program i NASA:s Earth Science Division. ESTO stödjer teknologer vid NASA-centra, industri och akademi att utveckla, förfina och demonstrera nya metoder för att observera jorden från rymden, från informationssystem till nya komponenter och instrument.
Små satelliter, inklusive CubeSats, spelar en allt större roll i prospektering, teknik demonstration, vetenskaplig forskning och utbildningsundersökningar vid NASA, inklusive:planetarisk rymdutforskning; Jordobservationer; grundläggande jord- och rymdvetenskap; och utveckla vetenskapliga föregångare som banbrytande laserkommunikation, satellit-till-satellit-kommunikation och autonoma rörelseförmåga.
