[논문 리뷰] Planning a Reference Constellation for Radiometric Cross-Calibration of Commercial Earth Observing Sensors

Sreeja Nag, Philip W. Dabney외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 20.

Calibration and Measurement Techniques참고 문헌 15인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 상용 Earth-관측 소형 위성의 방사계 교정을 가능하게 하기 위해 4개 위성 기준 궤도 구성체를 설계하기 위한 플래너를 제안한다. 궤도 추진, 지구 반사율 모델링, 장비 성능 시뮬레이션을 통합함으로써 플래너는 반나절 이내의 시간 창 안에서 교정 기회를 식별하며, 4개의 위성이 태양/시야 각도 차이가 5° 이내이고 TOA 교정에 대해 1시간 이내인 조건에서 다수의 타당한 교정 쌍을 제공할 수 있음을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 제한된 on-board 교정 자원을 가진 상용 소형 위성의 정확한 방사계 교정 증가 수요를 해결한다.
• 센서 간 시야 및 태양 기하학적 조건의 다양성으로 인한 일관되고 추적 가능한 교정을 달성하는 데 도전 과제를 극복한다.
• 최소한의 지연으로 비례적 교정 및 대기권 상단(TOA) 교정을 모두 가능하게 하는 기준 궤도 구성체를 설계한다.
• 사용자 정의된 제약 조건(예: 각도 차이, 시간 창 등)에 기반해 타당한 교정 기회를 식별하는 유연한 계획 도구를 제공한다.
• 라이드셰어 궤도에서 운영되는 큐브샛의 교정 빈도와 신뢰성을 극대화하기 위해 위성 기구 구조를 최적화한다.

제안 방법

• 궤도 추진, 지구 반사율 모델링, 장비 성능 시뮬레이션을 위한 기존 도구들을 통합된 플래너로 통합한다.
• 사용자 정의 가능한 센서 및 대상 파rameter를 사용해 다중 스펙트럼 대역과 다양한 시야 기하학적 조건에서 지구 반사율을 모델링한다.
• 센서 안정성 및 방사계 성능을 시뮬레이션하여 교정 타당성을 평가한다.
• 플래너를 사용해 후보 기준 궤도 구성체를 평가하며, 기준 위성과 대상 위성 간 시간적 및 기하학적 일치를 중점적으로 분석한다.
• TOA 교정의 경우 ≤5° 이내의 태양/시야 각도 차이 및 ≤1시간 이내의 시간 지연, 비례적 교정의 경우 ≤1일 이내의 지연을 제약 조건으로 적용한다.
• 사용자 정의 가능한 파rameter(예: 궤도 기울기, 고도, 센서 특성 등)에 따라 교정 기회 스케줄을 생성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반나절 계획 창 안에서 4위성 기준 궤도 구성체에 대해 몇 개의 타당한 교정 기회를 식별할 수 있는가?
• RQ2 교정 빈도를 극대화하면서도 허용 가능한 각도 및 시간 제약 조건을 유지하는 최적의 궤도 구성은 무엇인가?
• RQ3 태양 및 시야 기하학적 조건의 차이가 소형 위성 간 방사계 교정의 타당성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 각도 및 시간 제약 조건을 완화할 경우, 이용 가능한 교정 기회의 수는 얼마나 증가하는가?
• RQ5 기준 궤도 구성체는 TOA 교정과 비례적 교정을 동일한 수준의 신뢰성과 빈도로 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 일반적인 라이드셰어 궤도에서 운영되는 큐브샛을 대상으로, 4위성 위성 기구는 반나절 계획 창 안에서 다수의 교정 기회를 제공한다.
• 태양 및 시야 각도의 차이가 5° 이내이고, TOA 교정의 경우 시간 지연이 1시간 이내일 경우 교정 기회가 타당하다.
• 비례적 교정의 경우, 24시간 창 안에서 타당한 쌍을 찾을 수 있으며, 각도 차이는 ≤5° 이내로 제약된다.
• 사용자 정의된 제약 조건(예: 각도 차이, 시간 지연 등)을 완화할 경우, 이용 가능한 교정 기회의 수가 크게 증가한다.
• 플래너는 다양한 기구 구성체에 걸쳐 타당한 교정 쌍의 범위를 성공적으로 식별하여, 임무 설계에서의 유용성을 입증한다.
• 결과적으로 전용 기준 궤도 구성체를 활용한 방사계 교정의 실현 가능성을 검증하였으며, 기구 간 센서 정확도와 일관성을 향상시킨다.