La oficina de noticias del MIT (Massachusetts Institute of Technology) publicó una interesante nota sobre el uso de constelaciones para mejorar significativamente el error en las mediciones de los satélites ópticos de observación terrestre.
Una constelación de satélites pequeños, del tamaño de una caja de zapatos, volando en formación alrededor de la Tierra, podría estimar la energía reflejada del planeta con el doble de precisión que los satélites monolíticos tradicionales, según un estudio dirigido por el MIT publicado en la web en Acta Astronáutica. Si se hace bien, este tipo de enjambres de satélites también podrían ser más baratos de construir, lanzar y mantener.
Los investigadores, dirigidos por Sreeja Nag, un ex estudiante graduado en el Departamento de Aeronáutica y Astronáutica (AeroAstro) del MIT, simularon el rendimiento de un único gran satélite en órbita con nueve sensores, en comparación con un grupo de tres a ocho pequeños satélites, de un sólo sensor, volando juntos alrededor de la Tierra. En particular, el equipo analizó cómo cada formación de satélites mide el albedo, o la cantidad de luz reflejada por la Tierra.
El equipo encontró que los grupos de cuatro o más satélites pequeños eran capaces de mirar un único lugar en la Tierra, desde varios ángulos, y medir la reflectancia total de ese lugar con la mitad del error que los satélites individuales actualmente en funcionamiento. Nag dijo que tal corrección en la estimación del error podría mejorar significativamente las proyecciones climáticas de los científicos.
«La radiación total saliente es una de las mayores incertidumbres en el cambio climático, ya que es una función compleja de dónde estás en la Tierra, en qué estación, a qué hora del día, y es muy difícil de determinar cuánto calor deja la Tierra», dijo Nag. «Si podemos calcular la reflectancia de diferentes tipos de suelos, a nivel mundial, frecuentemente, y de forma más precisa, lo que nos permitiría hacer un conjunto de satélites, entonces al menos habremos resuelto una parte del rompecabezas del clima».
Nag ahora es un ingeniero investigador en el Instituto de Investigación Medioambiental del Centro de Investigación AMES de la NASA y el Centro Espacial Goddard también de la NASA.
Una Vista 3D
Según Nag, para estimar con precisión la reflectancia de cualquier punto en la superficie de la Tierra, se requieren mediciones tomadas de ese punto desde varios ángulos al mismo tiempo.
«La Tierra no refleja por igual en todas las direcciones», dijo Nag. «Si no se capta desde estos múltiples ángulos, es posible subestimar o sobreestimar la cantidad de energía que se está reflejando, si se tiene que extrapolar a partir de lo medido en una sola dirección.»
Hoy en día, los satélites que miden el albedo de la Tierra, por lo general lo hacen con múltiples cámaras, dispuestas en un solo satélite. Por ejemplo, el instrumento de la NASA MISR (Multi-angle Imaging SpectroRadiometer) a bordo del satélite Terra, tiene nueve cámaras que toman imágenes de la Tierra desde ángulos con una disposición similar a un abanico. Según Nag, el inconveniente de este diseño es que las cámaras tienen una visión limitada, ya que no están diseñadas para cambiar los ángulos y sólo pueden observar dentro de un mismo plano.
En su lugar, el equipo de Nag propone un conjunto de pequeños satélites viajando alrededor de la Tierra en una formación abierta, lo suficientemente cerca entre sí para ser capaces de captar el mismo punto en el suelo desde sus diferentes puntos de vista. Cada satélite puede moverse dentro de la formación, captando imágenes del mismo lugar y al mismo tiempo, desde diferentes ángulos.
«Con el tiempo, la constelación cubriría toda la Tierra, y se tendría una visión desde múltiples ángulos, una vista en 3D de todo el planeta, desde el espacio, que no se ha hecho antes con múltiples satélites», dijo Nag. «Por otra parte, también podemos utilizar varias constelaciones para una cobertura más frecuente de la Tierra.»
Error de estimación
Nag y sus colegas simularon formaciones de tres a ocho pequeños satélites orbitando, y desarrollaron un algoritmo para apuntar cada satélite, al mismo tiempo y al mismo lugar del suelo, independientemente de su posición en el espacio. Programaron cada formación para medir una cantidad teórica conocida como función de distribución de reflectancia bidireccional o BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function), que se utiliza para calcular albedo y la radiación total reflejada, en base a los ángulos en los que se toman las medidas y el ángulo de los rayos entrantes del sol.
MISR a bordo del satélite Terra
Para cada formación, Nag calculó el error de los satélites en la medición de la BRDF y comparó estos errores con los del instrumento MISR a bordo del satélite Terra. Validó todos los errores contra los datos del radiómetro Cloud Absorption Radiometer de NASA Goddard, un instrumento aerotransportado que obtiene decenas de miles de mediciones angulares de un punto de la superficie. Se encontró que todas las formaciones con siete o más satélites de un solo sensor funcionaron mejor que el satélite monolítico de nueve sensores, con estimaciones de error inferiores. La precisión de las estimaciones mejoró con el número de satélites en las formaciones.
«Hemos encontrado que, incluso si no se pude mantener los satélites a la perfección, el peor caso de error es inferior al que se obtiene con un único satélite», dijo Nag. Ampliando este punto, Volker Gass, director del Centro Espacial de Suiza en el Instituto Federal Suizo de Tecnología, afirmó que una mejor estimación de la reflectancia de la Tierra pueden ayudar a los científicos a predecir las tendencias ambientales a largo plazo.
«Reducir a la mitad el error, o aumentar la precisión, tiene un impacto directo en el modelo climático utilizado,» según Gass, que no participó en el estudio. «A modo de ejemplo, el reflejo de una superficie cubierta de nieve (o la falta de ella), en un momento determinado del año, pueden predecir las inundaciones o la sequía en los meses posteriores. Mejores y más precisas predicciones pueden llevar a una reducción de costos, o incluso prevenir la pérdida de vidas».
«Este trabajo es importante no sólo para la demostrar la capacidad para las mediciones desde ángulo múltiples de la BRDF desde el espacio para los diferentes tipos de superficies terrestre y biomas, sino también para establecer un sólido puente metodológico entre la ingeniería de sistemas de las futuras constelaciones de satélites pequeños y las simulaciones de alta fidelidad de las Ciencias de la Tierra» afirmó de Weck. «Nuestro equipo espera plenamente que una misión de demostración de estas características pueda estar volando en la próxima década».
Mientras que los vuelos en formación de constelaciones son considerados emprendimientos costosos, Nag dijo que este supuesto se refiere, sobre todo, a los satélites que necesitan mantener formaciones muy estrictas, con una precisión de centímetros, una precisión que requiere sistemas de control muy caros. Los satélites que se proponen no tendrían que mantener una misma formación, siempre y cuando todos ellos apuntan en la misma ubicación en la superficie.
Hay otra gran ventaja para el monitoreo de la Tierra con pequeños satélites: menos riesgo. «Se pueden lanzar tres de estos satélites, empezar a funcionar y, a continuación, poner tres más en el espacio más adelante para mejorar el rendimiento con más satélites», afirmó Nag. «Si se pierde uno o dos satélites, no se pierde todo el sistema de medición, sólo se tiene una degradación. Si pierde el satélite monolítico, se pierde todo».
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