[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出一种用于设计4颗卫星参考星座的规划器，以实现商业地球观测小卫星的辐射度交叉校准。通过整合轨道预报、地球反照率建模和仪器性能仿真，该规划器在半天时间范围内识别出校准机会，表明4颗卫星可在太阳/视角角度差异小于5°且校准时间少于1小时的条件下，实现多次有效的地面上（TOA）校准。

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.

研究动机与目标

• 应对商业小卫星在有限星上校准资源条件下对精确辐射度校准日益增长的需求。
• 克服因传感器间观测与太阳几何角度差异导致的一致性、可追溯性校准挑战。
• 设计一种参考星座，实现低延迟的间接校准与地面上（TOA）交叉校准。
• 提供一种灵活的规划工具，基于用户定义的约束条件（如角度差异与时间窗口）识别可行的校准机会。
• 优化星座架构，以最大化立方星在搭车轨道任务中的校准频率与可靠性。

提出的方法

• 将现有的轨道预报、地球反照率建模与仪器性能仿真工具整合为统一的规划器。
• 利用可配置的传感器与目标参数，对多光谱波段及不同观测几何下的地球反照率进行建模。
• 仿真传感器稳定性与辐射度性能，以评估校准的可行性。
• 利用规划器评估候选星座架构，重点关注参考卫星与目标卫星之间的时空与几何对齐。
• 应用约束条件，如≤5°的太阳/视角角度差异与≤1小时的时间延迟用于TOA校准，或≤1天的时间延迟用于间接校准。
• 根据用户灵活定义的参数（如轨道倾角、高度与传感器特性）生成交叉校准机会的时间表。

实验结果

研究问题

• RQ1 在半天规划窗口内，4颗卫星的参考星座可识别出多少个可行的交叉校准机会？
• RQ2 何种最优轨道配置可在保持可接受的角度与时间约束条件下，最大化校准频率？
• RQ3 太阳与观测几何角度的差异如何影响小卫星之间辐射度交叉校准的可行性？
• RQ4 放宽角度与时间约束在多大程度上可增加可用校准机会的数量？
• RQ5 参考星座是否能以相近的可靠性与频率同时实现TOA与间接交叉校准？

主要发现

• 对于典型搭车轨道中的立方星，4颗卫星的星座在半天规划时间内可提供多个交叉校准机会。
• 当太阳与视角角度差异小于5°，且TOA校准的时间延迟在1小时以内时，校准机会是可行的。
• 对于间接校准，可行的配对可在24小时内找到，且角度差异被限制在≤5°以内。
• 放宽用户定义的约束条件（如角度差异与时间延迟）可显著增加可用校准机会的数量。
• 该规划器成功识别出不同星座架构下的多种可行校准配对，证明其在任务设计中的实用性。
• 结果验证了使用专用参考星座实现辐射度交叉校准的可行性，可显著提升星座间传感器的精度与一致性。