Des essaims de petits satellites pourraient communiquer entre eux pour collecter des données sur les conditions météorologiques importantes à différents moments de la journée ou de l'année, et sous plusieurs angles. De tels essaims, en utilisant des algorithmes d'apprentissage automatique, pourrait révolutionner la compréhension qu'ont les scientifiques des changements météorologiques et climatiques.

L'ingénieur Sabrina Thompson travaille sur un logiciel pour permettre aux petits engins spatiaux, ou SmallSats, communiquer entre eux, identifier des cibles d'observation à haute valeur ajoutée, et coordonner l'attitude et le timing pour obtenir différentes vues de la même cible.

« Nous savons déjà que la poussière saharienne qui souffle sur les forêts tropicales amazoniennes affecte la formation de nuages ​​​​au-dessus de l'océan Atlantique à certaines périodes de l'année, " dit Thompson, qui travaille au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. « Comment capturez-vous cette formation nuageuse ? Comment pouvez-vous dire à un essaim de satellites quelle région et quelle heure de la journée sont les meilleures pour observer ce phénomène ? »

Selon le plan de Thompson, les scientifiques établiraient un ensemble d'exigences pour les observations et définiraient des cibles de grande valeur. Ensuite, le logiciel prendrait le relais, permettant à un essaim d'engins spatiaux de comprendre comment se déplacer les uns par rapport aux autres pour mieux observer ces cibles. Les stratégies peuvent également changer en fonction de l'heure de la journée, saison, ou la région observée. Le vaisseau spatial utiliserait également l'apprentissage automatique à bord pour améliorer les stratégies de visualisation au fil du temps.

« Plusieurs types de configuration d'essaim sont envisagés, " a déclaré Thompson. " L'un pourrait être un essaim où les satellites seront sur des orbites différentes, ce qui leur permettra de visualiser un nuage ou un autre phénomène sous différents angles. Un autre essaim pourrait voir les mêmes phénomènes avec une vue similaire, mais à différents moments de la journée. Un troisième type d'essaim pourrait combiner les deux, avec quelques satellites sur la même orbite, se succèdent avec un décalage temporel, et d'autres satellites qui peuvent être sur des orbites avec des altitudes et/ou des inclinaisons différentes."

Alors qu'un essaim resterait dans la même orbite, un vaisseau spatial individuel pourrait même utiliser ce qu'on appelle le contrôle différentiel de la traînée - en manipulant les forces causées par l'atmosphère terrestre contre le vaisseau en orbite - pour contrôler la séparation temporelle entre chaque vaisseau spatial par rapport aux autres dans l'essaim, elle a dit. « Le temps nécessaire pour effectuer une manœuvre de traînée différentielle dépend de la masse et de la zone du vaisseau spatial, ainsi que l'altitude orbitale. Par exemple, cela peut prendre jusqu'à un an ou aussi peu que quelques jours, même des heures."

"Avec plusieurs vaisseaux spatiaux dans une formation pour voir la même cible, " Thompson a dit, "vous pouvez voir un nuage, par exemple, pas seulement d'en haut, mais aussi par les côtés." Dans une autre formation, vous pouvez voir ce nuage à différentes étapes de son cycle de vie à partir de plusieurs SmallSats passant à différents moments.

En collaboration avec le professeur Jose Vanderlei Martins de l'Université du Maryland-Baltimore County (UMBC), Thompson a aidé à développer le CubeSat Hyper-Angular Rainbow Polarimeter (HARP) qui a été lancé depuis la Station spatiale internationale (ISS) il y a un peu plus d'un an. Une version mise à jour de son instrumentation, appelé HARP2, volera sur le plancton, Aérosol, Nuage, mission écosystème océanique (PACE) dont le lancement est prévu en 2023.

Un essaim de SmallSats comme HARP, partager l'information et coordonner la couverture, pourrait faire avancer les prévisions météorologiques, déclaration de sinistre, et la modélisation du climat à long terme, dit Vanderlei Martins. Pour y arriver, les scientifiques ont besoin de la combinaison de champs de vision larges et étroits et d'images haute résolution pour mieux comprendre la dynamique du développement du système météorologique.

"Idéalement, J'aime avoir un satellite avec un large champ de vision observant des phénomènes plus importants, " dit-il. " Cependant, un petit satellite couvrant une grande surface ne peut pas faire d'observations à haute résolution spatiale. Néanmoins, vous pouvez l'utiliser comme un satellite de type arpenteur pour identifier la zone d'intérêt. Ensuite, vous en avez d'autres avec un champ de vision plus étroit, obtenir une résolution plus élevée, obtenir beaucoup plus de détails."

Permettre à l'essaim de prendre des décisions et de partager des informations est crucial. Vanderlei Martins a dit, "Ce genre de décisions doit être prise en quelques minutes. Vous n'avez pas le temps d'impliquer le contrôle au sol."

Thompson a noté que la réduction de la dépendance aux réseaux de contrôle et de communication au sol libère également des ressources pour les missions SmallSat avec des budgets limités.

En tant qu'ingénieur en aérospatiale préparant un diplôme en physique atmosphérique à l'Université du Maryland, Comté de Baltimore, Thompson est retournée à l'école pour en savoir plus sur les exigences des sciences de la Terre qui motivent son travail d'innovatrice. "Je voulais aussi vraiment comprendre le changement climatique."

La façon dont les particules d'aérosol et les nuages ​​interagissent est cruciale pour comprendre le changement climatique. Les polarimètres peuvent fournir une multitude de données sur les particules en suspension dans l'atmosphère - de la fumée, cendre, et de la poussière aux gouttelettes d'eau et à la glace, chaque espèce de particule polarise la lumière réfléchie par elle de manière détectable.

« À un niveau de base, mes recherches portent sur l'évaluation de la géométrie entre les instruments du satellite et le soleil, " a déclaré Thompson. "Ces instruments sont passifs. Ils nécessitent une certaine géométrie par rapport à la cible au sol et au Soleil pour récupérer les données scientifiques que nous voulons."

Ses algorithmes détermineront les combinaisons les plus appropriées d'orbite et de champ de vision de l'instrument pour donner la plus grande probabilité d'observer un nuage avec la géométrie appropriée pour récupérer des données scientifiques. Ensuite, il planifierait et exécuterait des schémas de manœuvre pour chaque engin spatial afin d'obtenir ces géométries par rapport aux autres satellites de l'essaim.

Ce travail de compréhension de la structure et du développement des nuages ​​s'inscrit dans le cadre de l'Atmosphere Observing System, ou AOS, (anciennement les Aérosols et les Nuages, L'étude sur la convection et les précipitations a été identifiée comme une priorité dans l'enquête décennale de la Terre de 2017. Vanderlei Martins et Thompson pensent que leur technologie d'essaim complète les objectifs scientifiques de l'AOS et pourrait améliorer les prochaines missions scientifiques de la Terre de la NASA.