Svärmar av små satelliter kan kommunicera sinsemellan för att samla in data om viktiga vädermönster vid olika tider på dygnet eller året, och från flera vinklar. Sådana svärmar, använder maskininlärningsalgoritmer, skulle kunna revolutionera forskarnas förståelse för väder och klimatförändringar.

Ingenjör Sabrina Thompson arbetar på mjukvara för att möjliggöra små rymdfarkoster, eller SmallSats, att kommunicera med varandra, identifiera värdefulla observationsmål, och samordna attityd och timing för att få olika syn på samma mål.

"Vi vet redan att damm från Sahara som blåser över till Amazonas regnskogar påverkar molnbildningen över Atlanten under vissa tider på året, sa Thompson, som arbetar på NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Hur fångar man den molnformationen? Hur berättar man för en svärm av satelliter vilken region och tid på dygnet som är bäst att observera det fenomenet?"

Enligt Thompsons plan, forskare skulle fastställa en uppsättning krav för observationer och definiera värdefulla mål. Sedan skulle programvaran ta över, gör det möjligt för en rymdfarkostsvärm att ta reda på hur man rör sig i förhållande till varandra för att bäst observera dessa mål. Strategier kan också ändras beroende på tid på dygnet, säsong, eller regionen som observeras. Rymdfarkosten skulle också använda maskininlärning ombord för att förbättra visningsstrategier över tiden.

"Det finns flera typer av svärmkonfigurationer som övervägs, Thompson sa. "Man kan vara en svärm där satelliter kommer att vara i olika banor, vilket gör att de kan se ett moln eller annat fenomen i olika vinklar. En annan svärm skulle kunna se samma fenomen med liknande syn, men vid olika tider på dygnet. En tredje typ av svärm kan kombinera båda, med några satelliter i samma bana, efter varandra med viss tidsförskjutning, och andra satelliter som kan vara i omloppsbana med olika höjder och/eller lutningar."

Medan en svärm stannar inom samma omloppsbana, Enskilda rymdfarkoster kan till och med använda något som kallas differentiell luftmotståndskontroll – manipulera krafterna som orsakas av jordens atmosfär som släpar mot den kretsande farkosten – för att kontrollera tidsseparationen mellan varje rymdfarkost i förhållande till andra i svärmen, Hon sa. "Längden tid det tar att utföra en differentiell dragmanöver beror på rymdfarkostens massa och area, såväl som omloppshöjden. Till exempel, det kan ta så lång tid som ett år eller så kort som ett par dagar, jämna timmar."

"Med flera rymdfarkoster i en formation för att se samma mål, Thompson sa, "du kan se ett moln, till exempel, inte bara från toppen, men också från sidorna." I en annan formation, du kan se molnet i olika skeden av dess livscykel från flera SmallSats som passerar vid olika tidpunkter.

Arbetar med professorn Jose Vanderlei Martins vid University of Maryland-Baltimore County (UMBC), Thompson hjälpte till att utveckla Hyper-Angular Rainbow Polarimeter (HARP) CubeSat som lanserades från den internationella rymdstationen (ISS) för drygt ett år sedan. En uppdaterad version av dess instrumentering, kallas HARP2, kommer att flyga på Plankton, Aerosol, Moln, Ocean Ecosystem-uppdrag (PACE) planerat att lanseras 2023.

En svärm av SmallSats som HARP, dela information och samordna täckning, skulle kunna föra fram väderprognoser, katastrofrapportering, och klimatmodellering på lång sikt, sa Vanderlei Martins. Att ta sig dit, forskare behöver kombinationen av breda och smala synfält och högupplösta bilder för att bättre förstå dynamiken i vädersystemutvecklingen.

"Helst, Jag gillar att ha en satellit med ett brett synfält som observerar större fenomen, " sade han. "Men, en liten satellit som täcker ett stort område kan inte göra observationer med hög rumslig upplösning. Ändå, du kan använda den som en satellit för lantmätare för att identifiera området av intresse. Då har du andra med ett smalare synfält, får högre upplösning, få mycket mer detaljer."

Att göra det möjligt för svärmen att fatta beslut och dela information är avgörande. Vanderlei Martins sa, "Den här sortens beslut måste fattas på några minuter. Du har inte tid för markkontroll att vara inblandad."

Thompson noterade att ett minskat beroende av markkontroll och kommunikationsnätverk också frigör resurser för SmallSat-uppdrag med begränsade budgetar.

Som flygingenjör som arbetar mot en atmosfärsfysikexamen vid University of Maryland, Baltimore County, Thompson gick tillbaka till skolan för att lära sig mer om de geovetenskapliga kraven som driver hennes arbete som innovatör. "Jag ville också verkligen förstå klimatförändringarna."

Hur aerosolpartiklar och moln interagerar är avgörande för att förstå klimatförändringarna. Polarimetrar kan ge en mängd data om partiklar suspenderade i atmosfären – från rök, aska, och damm till vattendroppar och is, varje art av partikel polariserar ljus som reflekteras från den på detekterbara sätt.

"På en grundläggande nivå, min forskning går ut på att utvärdera geometrin mellan instrument på satelliten och solen, Thompson sa. "Dessa instrument är passiva. De kräver en viss geometri i förhållande till markmålet och solen för att hämta de vetenskapliga data vi vill ha."

Hennes algoritmer kommer att bestämma de lämpligaste kombinationerna av omloppsbana och instrumentets synfält för att ge den största sannolikheten att observera ett moln med lämplig geometri för att hämta vetenskapliga data. Sedan skulle den planera och utföra manövreringsscheman för varje rymdfarkost för att uppnå dessa geometrier i förhållande till de andra satelliterna i svärmen.

Detta arbete för att förstå strukturen och utvecklingen av moln knyter an till Atmosphere Observing System, eller AOS, (tidigare aerosoler och moln, Konvektion och nederbördsstudie identifierades som en prioritet i 2017 års Earth Decadal Survey. Vanderlei Martins och Thompson tror att deras svärmteknik kompletterar AOS:s vetenskapsmål och kan förbättra kommande NASAs jordvetenskapsuppdrag.