[論文レビュー] Planning a Reference Constellation for Radiometric Cross-Calibration of Commercial Earth Observing Sensors

Sreeja Nag, Philip W. Dabney+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2020

Calibration and Measurement Techniques参考文献 15被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、商業用地球観測小型衛星の放射計的クロスキャリブレーションを可能にする4衛星の基準準拠定型を設計するプランナーを提案する。軌道予報、地球反射率モデリング、機器性能シミュレーションを統合することで、半日以内の期間にクロスキャリブレーションの機会を同定し、4衛星が太陽/視線角差が5°以内で、1時間以内のTOAキャリブレーションを満たす複数の実行可能なクロスキャリブレーションペアを提供できることを示している。

ABSTRACT

The Earth Observation planning community has access to tools that can propagate orbits and compute coverage of Earth observing imagers with customizable shapes and orientation, model the expected Earth Reflectance at various bands, epochs and directions, generate simplified instrument performance metrics for imagers and radars, and schedule single and multiple spacecraft payload operations. We are working toward integrating existing tools to design a planner that allows commercial small spacecraft to assess the opportunities for cross-calibration of their sensors against current satellite to be calibrated, specifications of the reference instruments, sensor stability, allowable latency between calibration measurements, differences in viewing and solar geometry between calibration measurements, etc. The planner would output cross-calibration opportunities for every reference target pair as a function of flexible user-defined parameters. We use a preliminary version of this planner to inform the design of a constellation of transfer radiometers that can serve as stable, radiometric references for commercial sensors to cross-calibrate with. We propose such a constellation for either vicarious cross-calibration using pre-selected sites, or top of the atmosphere (TOA) cross-calibration globally. Results from the calibration planner applied to a subset of informed architecture designs show that a 4 sat constellation provides multiple calibration opportunities within half a day planning horizon, for Cubesat sensors deployed into a typical rideshare orbits. While such opportunities are available for cross calibration image pairs within 5 deg of solar or view directions, and with-in an hour (for TOA) and less than a day (vicariously), the planner allows us to identify many more by relaxing user-defined restrictions.

研究の動機と目的

• 限られた搭載キャリブレーションリソースを有する商業用小衛星の放射計的キャリブレーションの高精度化という増大するニーズに対応する。
• センサー間の観測・太陽の幾何的配置のばらつきにより、一貫性がありトレーサブルなキャリブレーションを達成することが難しいという課題を克服する。
• 最小限の遅延で、vicariousおよび大気上部（TOA）クロスキャリブレーションを両立できる基準準拠定型を設計する。
• 太陽/視線角差や時間窓といったユーザー定義の制約に基づいて、実行可能なキャリブレーション機会を同定する柔軟な計画ツールを提供する。
• リサイクル軌道に配置されたキューブサットのキャリブレーション頻度と信頼性を最大化するための準拠定型アーキテクチャを最適化する。

提案手法

• 既存の軌道予報、地球反射率モデリング、機器性能シミュレーションツールを統合した包括的なプランナーに統合する。
• カスタマイズ可能なセンサーおよび標的パラメータを用いて、複数のスペクトル帯域および観測幾何的配置における地球反射率をモデリングする。
• センサーの安定性と放射計的性能をシミュレートし、キャリブレーションの実現可能性を評価する。
• プランナーを用いて候補となる準拠定型アーキテクチャを評価し、基準衛星と標的衛星間の時間的および幾何的整合性に注目する。
• TOAキャリブレーションでは≤5°の太陽/視線角差および≤1時間の時間遅れ、vicariousキャリブレーションでは≤1日間の遅れといった制約を適用する。
• ユーザー定義パラメータ（軌道傾き、高度、センサー特性など）の柔軟性を考慮したクロスキャリブレーション機会スケジュールを生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半日計画期間内に、4衛星の基準準拠定型に対して何通の実行可能なクロスキャリブレーション機会を同定できるか？
• RQ2 キャリブレーション頻度を最大化しつつ、許容可能な角度的および時間的制約を満たす最適な軌道配置は何か？
• RQ3 太陽および観測幾何的配置の違いが、小衛星間の放射計的クロスキャリブレーションの実現可能性にどのように影響するか？
• RQ4 角度的および時間的制約を緩和することで、利用可能なキャリブレーション機会の数はどの程度増加するか？
• RQ5 基準準拠定型は、同等の信頼性と頻度でTOAおよびvicariousクロスキャリブレーションを両立可能か？

主な発見

• 通常のリサイクル軌道に配置されたキューブサットに対して、4衛星準拠定型は半日計画期間内に複数のクロスキャリブレーション機会を提供する。
• 太陽および視線角差が5°未塔で、TOAキャリブレーションの時間遅れが1時間以内であれば、キャリブレーション機会は実現可能である。
• vicariousキャリブレーションでは、24時間以内に有効なペアが得られ、角度差は≤5°に制限される。
• ユーザー定義の制約（角度差、時間遅れなど）を緩和することで、利用可能なキャリブレーション機会の数は顕著に増加する。
• プランナーは、さまざまな準拠定型アーキテクチャにおいて、実行可能なキャリブレーションペアの範囲を効果的に同定でき、ミッション設計における実用性を示している。
• 結果として、放射計的クロスキャリブレーションに専用の基準準拠定型を用いることが実現可能であることが検証され、複数の準拠定型におけるセンサーの精度と一貫性が向上することが裏付けられた。