(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの送信低地球軌道衛星を提供することと、
少なくとも２つの受信低地球軌道衛星を提供することと、
前記少なくとも１つの送信低地球軌道衛星を前記少なくとも２つの受信低地球軌道衛星とリモートに結合することと、
前記少なくとも１つの送信低地球軌道衛星と前記少なくとも２つの受信低地球軌道衛星とを編隊飛行させることと、
前記少なくとも１つの送信低地球軌道衛星および前記少なくとも２つの受信低地球軌道衛星の位相を同期させることと、
前記少なくとも２つの受信低地球軌道衛星を介して複数の２次元強度画像をアロングトラックで収集および解像することと、
前記少なくとも２つの受信低地球軌道衛星をスポットライト合成開口レーダモードで動作させることと、
信号対雑音を高めるために前記複数の２次元強度画像を集約することと、
前記少なくとも１つの送信低地球軌道衛星を介して、クロストラックレンジ分解長基線電波干渉法を使用して複数の可視性インターフェログラムを収集することと、
前記集約された２次元強度画像と前記複数の可視性インターフェログラムとを使用して３次元降水場を生み出すことと
を備える合成開口レーダ方法。
【請求項２】
前記衛星がマイクロ衛星である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記衛星がＫｕ帯で動作している、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
有効開口が約１５ｍであり、約１ｋｍの水平分解能と約１２５ｍの垂直分解能とを提供する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
スポットライトモードが、前記降水場が実質的に静止している期間である前記少なくとも１つの受信低地球軌道衛星がターゲットエリアの周りを回転する間に収集された、コヒーレントにリンクされた一連のエコーを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
約２ｍｓのコヒーレント積分期間（ＴCPI）をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
約２００ｍｓの累積コヒーレント処理インターバル（ＣＣＰＩ）をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも２つの受信低地球軌道衛星または前記少なくとも１つの送信低地球軌道衛星のうちの１つを介して、入来波形を復調および分析することと、
訂正信号を導出し、前記訂正信号を前記少なくとも２つの受信低地球軌道衛星または前記少なくとも１つの送信低地球軌道衛星のうちの１つに送信することと、
前記少なくとも２つの受信低地球軌道衛星または前記少なくとも１つの送信低地球軌道衛星の各衛星上の発振器の周波数差および位相差を決定するために、前記少なくとも２つの受信低地球軌道衛星または前記少なくとも１つの送信低地球軌道衛星に対して前記復調および導出および送信のステップを繰り返すことと、
前記少なくとも２つの受信低地球軌道衛星または前記少なくとも１つの送信低地球軌道衛星のうちの１つの衛星上の発振器に訂正フィードバック項を適用して、その発振周波数を、前記少なくとも２つの受信低地球軌道衛星上または前記少なくとも１つの送信低地球軌道衛星上の前記発振器の発振周波数の方にシフトし、それにより同期を提供すること
をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも２つの受信低地球軌道衛星または前記少なくとも１つの送信低地球軌道衛星のうちの１つがマスタであり、前記少なくとも２つの受信低地球軌道衛星または前記少なくとも１つの送信低地球軌道衛星のうちの残りがスレーブである、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記同期が１０ｐｓ内である、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
[003]本出願は、２０１７年６月１４日に出願された米国特許仮出願第６２／５１９，２８３号の利益を主張するものであり、この仮出願の内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
[005]本開示は、降水および運動の衛星トモグラフィに関し、より詳細には、精密な衛星間同期を伴う、合成開口レーダおよびレンジ分解（range-resolved）長基線電波干渉方法を使用して、嵐の降雨場の３次元マップを宇宙から高空間分解能で提供することに関する。
【背景技術】
【０００３】
[007]地上ベースの気象レーダデータは、気象予測よりむしろ気象モニタリングに多く使用される。具体的には、これらのレーダは、現在どこで雨が降っているかを「見る」。当然、現在どこで雨が降っているかは、間もなくどこで雨が降るかについての手がかりを提供することが時としてある。現在のシステムは、どこで雨が降っているか、および、最も重要なこととして、どこに激しい嵐があるかを示す。地上ベースのレーダは、中緯度の雷雨を含めた、より挑戦的な嵐を特徴付けるのに必要とされる十分な空間分解能を有する。しかし、地上ベースの気象レーダの大きな弱点は、これらの機器がほぼすべて陸上に基礎を置いており、地表の多くの上で発生する嵐をこれらのレーダシステムによって観測されないままにすることである。これらのレーダ機器はまた、非常に大きい。
【０００４】
[008]宇宙ベースの降水レーダは、地球上の任意の場所のこのような嵐を観測することができるであろう。しかし、現在の宇宙ベースの降水レーダシステムは、非常に大きく高価な機器である。しかも、現在の宇宙ベースのレーダシステムは、それらの大きいアンテナをもってしても、中緯度の雷雨を含めた最も重要な嵐の多くを宇宙から特徴付けるのに十分な空間分解能（約１ｋｍ）を提供しない。現在のシステムはまた、限られたクロストラック（cross-track）空間カバレッジ（エリアカバレッジに関係する）を有する。これらのシステムが有するクロストラックカバレッジは、嵐のサンプリングを地球規模で提供することによって、重要な科学的目標になお役立つが、これらのシステムは、実際に発生する嵐のごく一部を観測するだけである。地球上の任意の場所の激しい気象を特徴付けるのに有用であるためには、少数のレーダシステムからのより広いクロストラックカバレッジ、または宇宙における多くのそのようなレーダシステム、のいずれかが必要である。これらのオプションは両方とも、法外に高価であろう。
【０００５】
[009]気象状況に対する自覚、特に激しい気象に対してのそれは、軍事任務を計画し実行する人々、および激しい気象の警報を使用して公衆を保護することを担う人々にとって、現代生活の極めて重要な側面である。激しい気象事象を特徴付け、予測するために、観測方法は、大気の３次元構造とその運動とを観測できなければならない。
【０００６】
[0010]現在の能動型および受動型システムには、大気をストームスケール（storm-scale）で特徴付けるのに必要な空間分解能が欠けていることが理解される。ここで、ストームスケールは、約１ｋｍの分解能である。さらに、現在の宇宙ベースのＸ帯合成開口システムは、２次元イメージを提供するのみであり、この２次元イメージは降水の影響を受ける。実際、所与のレンジビンに対して降水と表面の両方の後方散乱信号があり、したがって、降水の影響を分離するのが難しくなる。
【０００７】
[0011]現在の合成開口システムは、降水場にわたる２次元観測を斜め角度で実施し、表面および雨の散乱を混合する。対照的に、本開示の提案される方法およびシステムは、３次元イメージを可能にし、はるか軸外を観測することができ、システムコストが現在の方法よりもずっと低い。本明細書に記載のシステムおよび方法は、より細かい（例えば１ｋｍスケールの）空間分解能が可能である。
【発明の概要】
【０００８】
[0013]本開示の一態様は、双方向時刻伝送方法によってマスタクロックが相互と同期させられた、低地球軌道中の小さい宇宙機の編隊の使用である。本開示の別の態様は、共通の高度にあり軌道傾斜角において適切に離された衛星上でホストされる、１つまたは複数の無線周波数（ＲＦ）送信機と２つ以上の受信機とを、宇宙機ペイロードが含むことである。本開示のさらに別の態様は、これらの宇宙機が、降水場関心領域の上を通過するときに協調的回転マヌーバを実行して、固定地上場所を中心とする降水場のマルチスタティックスポットライトモード３次元（３Ｄ）レーダ観測を可能にすることである。測定された基線距離によって平行軌道トラック中で分離された、同期させられた受信機によって、降水場からのＲＦエコーの同時の位相敏感シーケンスが収集され、これらの信号の後続の合同処理が、降水場の３Ｄを明らかにする。いくつかの場合では、レーダ観測の中心の場所が選択されることが可能であり、この場所は、マヌーバの時間と送信ＲＦパルスシーケンスとを選択することによって軌道トラック方向に選択され、送信機と１つまたは複数の受信機ペアとの分離を選択することによって軌道トラックに対して直角の方向に選択される。
【０００９】
[0014]本開示の一態様は、合成開口レーダ方法であり、この方法は、少なくとも１つの送信低地球軌道衛星を提供することと、少なくとも２つの受信低地球軌道衛星を提供することと、少なくとも１つの送信低地球軌道衛星を少なくとも２つの受信低地球軌道衛星とリモートに結合することと、少なくとも１つの送信低地球軌道衛星と少なくとも２つの受信低地球軌道衛星とを編隊飛行させることと、少なくとも１つの送信低地球軌道衛星および少なくとも２つの受信低地球軌道衛星の位相を同期させることと、少なくとも２つの受信低地球軌道衛星を介して複数の２次元強度画像をアロングトラック（along-track）で収集および解像することと、少なくとも２つの受信低地球軌道衛星をスポットライト合成開口レーダモードで動作させることと、信号対雑音を高めるために複数の２次元強度画像を集約することと、少なくとも１つの送信低地球軌道衛星を介して、クロストラックレンジ分解長基線電波干渉法を使用して複数の可視性インターフェログラム（visibility interferogram）を収集することと、集約された２次元強度画像と複数の可視性インターフェログラムとを使用して３次元降水場を生み出すこととを備える。
【００１０】
[0015]一実施形態では、衛星はマイクロ衛星である。いくつかの場合では、衛星は、Ｋｕ帯で動作しており、有効開口は約１５ｍであり、約１ｋｍの水平分解能と約１２５ｍの垂直分解能とを提供する。
【００１１】
[0016]本開示の別の態様では、スポットライトモードは、降水場が実質的に静止している期間である少なくとも１つの受信機がターゲットエリアの周りを回転する間に収集された、コヒーレントにリンクされた一連のエコーを備える。いくつかの場合では、システムは、約２ｍｓのコヒーレント積分期間（ＴCPI）を有する。いくつかの実施形態では、システムは、約２００ｍｓの累積コヒーレント処理インターバル（ＣＣＰＩ：cumulative coherent processing interval）を有する。
【００１２】
[0017]本開示のさらに別の態様では、この方法はさらに、少なくとも２つの受信低地球軌道衛星または少なくとも１つの送信低地球軌道衛星のうちの１つを介して入来波形を復調および分析することと、訂正信号を導出し、訂正信号を少なくとも２つの受信低地球軌道衛星または少なくとも１つの送信低地球軌道衛星のうちの１つに送信することと、少なくとも２つの受信低地球軌道衛星または少なくとも１つの送信低地球軌道衛星の各衛星上の発振器の周波数差および位相差を決定するために、少なくとも２つの受信低地球軌道衛星または少なくとも１つの送信低地球軌道衛星に対して復調および導出および送信のステップを繰り返すことと、少なくとも２つの受信低地球軌道衛星または少なくとも１つの送信低地球軌道衛星のうちの１つの衛星上の発振器に訂正フィードバック項を適用して、その発振周波数を、少なくとも２つの受信低地球軌道衛星上または少なくとも１つの送信低地球軌道衛星上の発振器の発振周波数の方にシフトし、それにより同期を提供することとを備える。
【００１３】
[0018]この方法のいくつかの実施形態では、少なくとも２つの受信低地球軌道衛星または少なくとも１つの送信低地球軌道衛星のうちの１つはマスタであり、少なくとも２つの受信低地球軌道衛星または少なくとも１つの送信低地球軌道衛星のうちの残りはスレーブである。いくつかの場合では、同期は１０ｐｓ内である。
【００１４】
[0019]本開示のこれらの態様は排他的とされるものではなく、後続の記述、付加された特許請求の範囲、および添付図面と共に読まれれば、本開示の他の特徴、態様、および利点が当業者にはすぐに明らかであろう。
【００１５】
[0021]本開示の前述および他の目的、特徴、および利点は、添付図面に例証される本開示の特定の実施形態に関する後続の記述から明らかであろう。添付図面では、種々の図を通して同じ参照文字は同じ部分を指す。図面は必ずしも一定の縮尺とは限らず、その代わり、本開示の原理を例証することが強調されている。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】[0022]本開示の原理による、２つのタイプの干渉観測を実施するように設計された３マイクロ衛星編隊の一実施形態を示す図。
【図２】[0023]本開示の原理による、クロストラック構造を観測するためのレンジ分解長基線電波干渉法ジオメトリの一実施形態を示す図。
【図３】[0024]本開示の原理による、送信機の一実施形態（左）および受信機の一実施形態（右）のブロック図。
【図４】[0025]合成開口レーダに関する方法の一実施形態のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
[0027]観測するプラットフォームと観測される降水場との間の非常に大きい速度差は、この観測するプラットフォームが低地球軌道中の宇宙機であるときには、エコー脱相関制限を克服することが認識されてきた。エコー脱相関制限は、航空機搭載型（airborne）プラットフォームから合成開口レーダを使用して２次元（２Ｄ）降水場を観測しようとするときに、研究者らが以前に直面したものである（Ａｔｌａｓ，Ｄ．およびＭｏｏｒｅ，Ｒ．Ｋ．、１９８７、「Ｔｈｅ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ  Ｒａｄａｒ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ  ａｎｄ  Ｏｃｅａｎｉｃ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖｏｌ．４、３６８〜３７６頁）。さらに、異なるクロストラック軌道位置にある異なる宇宙機上の複数の受信機を利用し、異なる受信機間の位相差情報を保存する、降水場のマルチスタティック合成開口レーダ（ＳＡＲ）観測は、クロストラック降水場構造に関する情報を提供することも認識されている。各受信機によって集められた２Ｄ  ＳＡＲ情報と組み合わせられたとき、システムは、適切な信号処理を通して降水場の３次元（３Ｄ）再構築を可能にする。さらに、様々な受信機の局部発振器の密な同期によって、複数の受信機からの後方散乱させられた信号の位相コヒーレント処理が可能にされること、およびこの同期が、受信機をホストする各宇宙機の様々な宇宙機マスタクロックの正確な同期によって可能にされることも、認識されている。
【００１８】
[0028]極端な気象事象の開始および発達をよりよく理解するために、大気降水場とそれらの力学との測定の空間的および時間的な分解能が、現在の方法からかなり改善されなければならない。これらの大気観測は、先進的な雲許容（cloud-permitting）雲解像（cloud-resolving）型の数値気象モデルの開発と、現在の数値気象予測（ＮＷＰ）のための降水場のサブスケールパラメータ化の改善とにとって、極めて重要である。加えて、これらの高い空間時間分解能の局地的観測を使用すれば、地球観測システムオブシステムズ（system of systems）によって、システムは、合図を受けて特に関心の高いエリアに向けられることが可能であり、激しい気象の予報の改善において重要な役割を果たすことができる。
【００１９】
[0029]分解能を１ｋｍ程度の対流スケールに改善することは、降水プロセスの空間時間変動性を特徴付けるのに大いに役立つことになることは理解される。地上ベースの降水レーダ観測がまた、より高い空間分解能の必要性を実証する。現在の方法は降水場の実質的な異質性を５ｋｍスケールで示すが、これは、多くの中緯度雷雨の中核のサイズよりも大きい。現世代の宇宙ベースの降水レーダフットプリントのサイズ、ならびにそれらの高い空間変動性は、現在の降水レーダ観測の物理的解釈を非常に難しく挑戦的なものにする。本明細書に開示されるように１ｋｍの水平分解能でフィールドを観測することは、降水場構造の物理的解釈および理解にかなりの利益をもたらすであろう。
【００２０】
[0030]本開示は、高分解能、３次元、マルチスタティックの降水レーダアプローチを表し、このアプローチは、新規な高精度、超低電力、リモートのタイミング同期技術を介して、編隊をなしリモートに結合された機敏なマイクロ衛星を利用する。本システムおよび方法は、マイクロ衛星編隊を介して実装されるマルチスタティックレーダ干渉方法を使用して、実質的に大きい（例えば１５ｍ）開口を合成し、Ｋｕ帯で約１ｋｍの水平分解能と約１２５ｍの垂直分解能とを提供する。
【００２１】
[0031]先進的な数値気象予測アンサンブル予報システムは、多くの条件下でうまく機能することができるが、これらのシステムは、アンサンブル予報が互いに異なり、受動マッピングセンサ観測がこれらの互いに異なるアンサンブル予報間を区別するのに十分でない、という挑戦的な状況を被る。これらの条件下で、本明細書に記載のシステムおよび方法などの、高分解能の全気象観測は、クリティカルな入力を予報に提供するように合図されることが可能である。いくつかの場合では、音響器が、激しい気象を駆り立てるかもしれない大気不安定性の条件を検出し、高分解能観測の合図を提供することができる。このような応用例では、合図あり観測システムの機能的能力は、次の属性を含むべきである。すなわち、ステアリング可能、局地的、低コストで実現される、マルチルック、再構成可能、スケーラブル、進化可能、ネットワーク化されている、回復力がある、等であるべきである。
【００２２】
[0032]本明細書に記載のシステムおよび方法のためのクリティカルな実現技術は、マルチスタティック降水レーダシステムを構成するいくつかの異なる宇宙機（例えば衛星）によって担持される様々なマスタクロックのための、超低電力な精密アクティブタイミング同期（ＰＡＴＳ：Precision Active Timing Synchronization）システムである。このマルチプラットフォームクロック同期を５ピコ秒（ｐｓ）レベルに適用することは、本開示のいくつかの追加の実施形態で議論されるようなマルチスタティックレーダシステムに限定されない。
【００２３】
[0033]これらの観測を可能にする中核的な能力は、軌道トラックに沿った宇宙機間の空間分離の微妙な変化の精密測定であり、これは、宇宙機間の飛行時間に直接に関係付けられる能力である。現在の１０ｎｓ範囲から本出願の１０ｐｓ範囲未満への改善は、この能力の重要な改善を提供すると同時に、コストも削減することになる。
【００２４】
[0034]より一般的には、精密タイミング同期システムは、後で議論されるような高精度な編隊飛行および協調的コヒーレント多対一通信を含めた、異なる宇宙機のアクションの緊密な協調を可能にすることになる。異なる宇宙機間におけるこの精密アクティブタイミング同期システムを実装するのに使用される通信チャネルは、かなりの追加チャネル容量を有し、宇宙機編隊の、他のポイントツーポイントまたはポイント地上（point-ground）通信ニーズに使用されることも可能である。
【００２５】
[0035]本明細書に開示される１ｋｍ降水場観測能力は、低地球軌道（ＬＥＯ）で分散型マイクロ衛星マルチスタティックレーダアーキテクチャを使用して実装される。ここで、１）空間構造の、照射、アロングトラック、およびクロストラック観測の鍵となる機能が、編隊をなす異なる宇宙機の集合的アクションによって提供される。２）編隊要素によって実行される協調的バックスキャンマヌーバによって、編隊による周期的な局地的観測が可能にされる。３）マルチスタティックコヒーレントレーダ方法を利用して、３次元構造が観測される。４）パルス圧縮方法を介した正確な測距が、垂直構造に使用される。５）降水場に対する速い軌道速度が、アロングトラックフィールド構造のコヒーレントＳＡＲ撮像観測に使用される。６）衛星編隊要素の相対位置が、相互相関を使用したクロストラック空間構造の観測を可能にする。７）本明細書に開示される精密アクティブタイミング同期（ＰＡＴＳ）技術によって、様々な編隊要素の正確なタイミング協調が可能にされる。
【００２６】
[0036]降水場を宇宙から観測するのに適した周波数で高い水平分解能を得るには、大きい有効開口が必要である。例えば、１ｋｍの水平分解能には、極めて重要なＫｕ帯で１５ｍ開口が必要とされる。このサイズの実開口レーダは確かに構築できるが、非常に高価となる。１ｋｍの分解能で３次元フィールドを提供するには、実開口レーダは、複雑なフェーズドアレイまたは電子的に走査されるクロストラックアプローチである必要があり、これにより追加の複雑性およびコストが加わる。対照的に、本開示のマルチスタティックコヒーレントレーダシステムは、少数の低コスト小型宇宙機を備えて、コスト効果の高い方法でこの難題に対処する。
【００２７】
[0037]現在軌道上にある降水レーダシステムは、ｋＷスケールの電力要件を伴う大きい機器である。特に、どのようにこれらの測定の空間分解能を価格的に手頃な方法で高めるかを考えるとき、マイクロ衛星の厳しい電力制限が考慮される必要がある。あらゆることをうまくできる観測システムはないが、前進するための一方法は、本明細書に記載のようにシステムオブシステムズのコンテキスト内で高分解能能力を制約して、選択されたターゲット領域を観測することである。
【００２８】
[0038]衛星の種類は公式には標準化されていないが、航空宇宙界における多くの人は、小衛星をいくつかのカテゴリで記述する。ミニ衛星は１０００キログラム未満と言われる。マイクロ衛星は１００キログラム未満であり、ナノ衛星は１０キログラム未満であり、ピコ衛星は１キログラム未満である。これにより、１０００キログラムを超えるものはいずれも、大型または従来型の衛星とされる。
【００２９】
[0039]本開示のいくつかの実施形態では、連続的なアロングトラックマッピングは提供されない。その代わり、宇宙機編隊は、領域をターゲットにし、協調的「バックスキャン」マヌーバを実行して、数分の長い期間にわたりデータ収集開口を関心領域に向ける。数マイクロ秒の継続時間の、いくつかの非常に高電力の観測（現在のレーダシステムにおけるような）が、コヒーレント空間フィールド当たり数秒に及ぶずっと多くの低電力の観測で置き換えられる。いくつかの実施形態で使用される合成開口レーダ「スポットライト」観測モードは、空間フィールドをコヒーレントに収集し、この観測ジオメトリに自然に調和する。「スポットライト」モードでは、観測側が約２０ｍｓ（この期間中、降水場は実質的に静止している）にわたってターゲットの周りを実質的に回転する間、コヒーレントにリンクされた一連のエコーが収集される。数分のバックスキャンインターバルは、コヒーレントに観測された複数のフィールドの収集と、ステップステア（step-stare）方式によるフィールド間での機体ステアリングとを可能にし、対象である約２５００ｋｍ2の総局地的エリアを提供する。
【００３０】
[0040]宇宙機バックスキャン方法は、見る傾斜度および軌道運動によって究極的には時間制限される。しかし、関心領域に焦点を合わせることによって、１つの編隊による連続的なアロングトラック観測が排除され、１００ｋｍ程度のアロングトラック間隔が、アクセス可能な関心領域を分離する。観測角度（例えば宇宙機姿勢）が領域間で再設定されなければならない。マイクロ衛星の場合、全体的な太陽エネルギー収集および蓄積容量がまた、アクティブな観測時間を制限し、観測デューティサイクルをわずか約５〜１０％に制限する。
【００３１】
[0041]ＳＡＲ方法を使用する宇宙ベースの降水レーダは、方位（アロングトラック）空間構造の観測と干渉する可能性のある、観測されているフィールド中にある大気水象速度の変動と闘わなければならない。レンジビン内で大気水象直径サイズの分布があることが、速度変動の主要な原因である。というのは、落下する粒子の終端速度はそのサイズに関係付けられるからである。文献はこの懸念について述べており、この懸念は航空機搭載型ＳＡＲにとって非常に挑戦的なものとして言及された。しかし、軌道に乗っている宇宙機のプラットフォーム速度は航空機搭載型プラットフォームの速度に対してはるかに速い（例えば２５倍から５０倍速い）ので、宇宙機搭載型（space-borne）降水ＳＡＲに対する可能性が認識された。ＳＡＲコヒーレント積分期間（ＴCPI）が長く延長されすぎた場合、大気水象フィールドエコーの相関された時系列は最終的には脱相関することがわかっている。この脱相関を回避するには、Ｔはとりわけ、λ／σDop未満であるべきである。ここで、σDopは、大気水象速度の標準偏差である。
【００３２】
[0042]本開示のシステムのいくつかの実施形態では、ＴCPIは、λ／４σDop未満に制約される。σDopが２．５ｍ／ｓ未満でありＫｕ帯λ＝２．２ｃｍである典型的な降水場の場合、ＴCPIは２．２ｍｓ未満であるべきである。システムの軌道高度７０５ｋｍでは、計画された５００ｍアロングトラックサンプリング／１ｋｍ分解能は、ＴCPI＝２．０ｍｓで提供されることになり、このコヒーレンシ制約を満たす。単純に言えば、降水場が空間で実質的にコマ止めにされるほどの短い時間で、単一のコヒーレント画像が収集される。次いで、複数のコヒーレントフィールド観測が画像強度域中で集約されて（インコヒーレント平均）、信号対雑音比が高められることが可能である。このシステムおよび方法は、Ｋａ、Ｘ、およびＷを含めた他のレーダ帯域にも拡張可能である。
【００３３】
[0043]軌道運動と、本開示のいくつかの実施形態で使用される「スポットライト」モードＳＡＲ方法の照射位置特性との間のカウンター結合は、アロングトラック分解能およびサンプリングについて重要な含意を有することに留意されたい。空間分解能は、積分角度に直接に依存し、積分角度は、レンジ（軌道高さ）および必要とされる空間分解能に依存する。有効角速度は、軌道スピードと軌道高さの両方に依存する。コヒーレント積分期間の時間ＴCPIは、ちょうど、必要とされる積分角度と角速度との比である。
【００３４】
[0044]照射されるパッチが軌道スピードでフィールドを横切る、ストリップモードＳＡＲ観測ジオメトリが考察された。このモードでは、アロングトラック空間分解能およびサンプリングレートが、アンテナ長にリンクされる。可能な最良の空間分解能は、軌道高さから独立してＬantenna／２であり、サンプルレートは高さからほぼ独立している。残念ながら、アンビギュイティのない（unambiguous）ストリップモード観測のための方位サンプルレートは非常に高く、実際、垂直に延びる完全な大気降水場をアンビギュイティなしにサンプリングするには高すぎる。したがって、このモードは、今回は使用されない。
【００３５】
[0045]本開示の「スポットライト」モードＳＡＲ実装形態のいくつかの実施形態は、「スポットライト」モードのＸ帯ＳＡＲシステム（例えばＴｅｒｒａＳＡＲ−Ｘ）と同様の、パルス繰返し周波数およびコヒーレントフィールドサイズを使用するが、本システムは、地上ベースの撮像ＳＡＲが必要とする、より長い積分時間を必要としない。垂直およびアロングトラック構造を観測するための前述のＳＡＲ方法は、これらの軸に沿った高い空間降水場観測を提供するが、クロストラック空間構造を解像しない。本明細書に開示されるレンジ分解長基線電波干渉方法は、ＶＬＢＩ方法から導出されたものであり、降水場におけるクロストラック空間構造を解像することができる。図１および図２に描かれるこのアプローチは、既知の基線Ｂによって離された２つの受信機間の合同可視性を観測する。ＶＬＢＩと同様、各受信機ペアにつき可視性フリンジが観測される。これらのフリンジの時間周波数は、フィールド中の散乱体のクロストラック位置に関係付けられる。７０５ｋｍでは、フリンジ周波数は、クロストラック位置１ｋｍ当たり約１０Ｈｚシフトする。レンジ分解可視性は、クロストラック降水場構造のフーリエ変換である。ＶＬＢＩと同様、いくらかのアンビギュイティがあり、本開示のいくつかの実施形態の場合はトモグラフィック３次元画像構築が使用される。この方法は無相関信号に作用するのでソースの時間相関は問題ではなく、したがって、アロングトラックの場合で述べられたドップラ分散は当てはまらない。ＶＬＢＩは、任意の周波数における、これまでに考案された最も正確な角度観測方法である。実際、遠くのクエーサのＶＬＢＩ観測は、国際地球基準座標系を定義するのに使用される定着した観測の一部である。
【００３６】
[0046]マルチスタティックレーダの利益の１つは、送信機の軌道トラックからかなり離れた位置の、表面に近い降水場の観測を可能にすることである。ダウンルッキング降水レーダは、最終的には所与の領域の上を通過することになるが、領域を軌道ごとまたは日ごとに選択する（気象センサ網が必要とするように）には、合図から数時間内に観測を可能にできることが必要である。この能力は、クロストラックで動いて送信機衛星（Ｔｘ）との角度を調整する機敏な受信機衛星（Ｒｘ）によって可能にされ得る。適切なＴｘ／Ｒｘ間隔では、等レンジ面は地面に対してほぼ平行であり、地面近くの、地面クラッタのないリターンを可能にする。この挙動は、本開示のシステムによって提供される。というのは、受信機中の「ランプ除去（de-ramp）」機能が飛行時間に基づいて復調するからである。復調において、送信機と受信機との間の精密アクティブタイミング同期を使用して、レンジ補償／ランプ除去処理が各エコーに適用されて垂直構造がもたらされる。ＣＰＩ（約２ｍｓ）内の一連の１０個のデチャープ（de-chirped）エコーが、このアロングトラック位相履歴を構成する。（レンジ）垂直およびアロングトラック降水場振幅は、強度画像を生み出す。複数のＣＰＩにわたる複数の画像が集約されて、ＳＮＲ（および任意のスペックル効果にわたる平均）が高められる。クロストラック電波干渉法は、クロストラック空間情報を含む可視性インターフェログラムを収集し、これらは、完全な３次元降水場のためにアロングトラック／レンジ画像と共に使用される。可視性のフーリエ変換が、クロストラック画像をもたらす。合同可視性／レンジ位相履歴データが、２次元垂直／アロングトラックデータと共に、３次元降水場のトモグラフィック再構築において使用される。いくつかの場合では、機上／地上処理のために、生エコーリターンから位相履歴への復調処理が機上で実施され、位相履歴は地上処理で処理されてインターフェログラムにされ、次いで３Ｄ画像にされる。
【００３７】
[0047]３次元降水（マルチスタティック）レーダシステムの一実施形態は、低地球軌道中の別々の送信マイクロ衛星と受信マイクロ衛星とを利用する。いくぶん従来型の「スポットライト」モード合成開口レーダ（ＳＡＲ）によって、３つの次元のうちの２つが提供され、軌道速度を使用して合成開口がスイープアウトされる。第３の次元における高空間分解能情報が、長基線電波干渉法（ＬＢＩ）のレンジ分解型変形によって提供される。
【００３８】
[0048]図１は、本開示の原理による、２つのタイプの干渉観測を実施するように設計された３マイクロ衛星編隊の一実施形態を示す。より具体的には、第１および第２の受信機（Ｒｘ1、Ｒｘ2）が、送信機（Ｔｘ）と共に示されている。いくつかの実施形態では、小さい機敏な宇宙機が送信機および受信機として使用されて、機体ステアリングされる送信ビームと複数の受信開口とが本開示の「スポットライト」モード観測を提供するのを可能にする。本明細書で議論されるように、ＴｘとＲｘとの間の正確な時間同期がクリティカルである。いくつかの実施形態では、同期はＲＦベースであり、１〜５ｐｓ程度である。システムＲＦは、いくつかの衛星をリンクし、それらの相対的な位相を決定し、それらを電波干渉法での使用のためにロックする。受信機は、位相敏感受信技法を介して、一連のチャープ（距離を符号化する）を処理する。
【００３９】
[0049]引き続き図１を参照すると、宇宙機速度ベクトルは、図の平面外である。宇宙機アロングトラック運動は、アロングトラック構造の画像を合成する（レンジおよびアロングトラック）。アロングトラック衛星運動は、「スポットライト」モードにおける短い収集期間を使用して、レンジおよびドップラを非常に素早く分析する。２Ｄ計算はいくぶん簡単だが、クロストラックを介した第３の次元の追加が、頑強な結果を提供する。第３の次元は、降水率などの計算で使用される体積を提供する。いくつかの実施形態では、システムは、１ｋｍの水平分解能および１／８ｋｍの垂直分解能２で、２４０×１０ｋｍの降水場４のプロファイルを可能にする。
【００４０】
[0050]クロストラック空間構造は、レンジの相互相関から抽出され、２つ以上の受信機からの観測を介して解像される。送信機Ｔｘによって発せられた電波が、散乱させられて、受信機（すべての受信機が当該の周波数で動作している位相コヒーレンスにある）に戻る。一例では、Ｋｕ帯が使用され、Ｋｕ帯は約１０ＧＨｚである。地表の場所２および強い降水場４が示されている。送信電波１４も示されており、８および１０は、後方散乱する降水場の一部からそれぞれ受信機Ｒｘ1およびＲｘ2に向けられた、散乱させられた電波の一部を示す。レンジベクトル１２は、後方散乱するフィールドから受信機ペアの基線ベクトルＢまでである。この複数の受信機は、「編隊」飛行し、例えば嵐６の中心をすべて狙っており、「スポットライト」モードで動作していると言われる。
【００４１】
[0051]図２では、２つの受信機Ｒｘ1およびＲｘ2は、基線Ｂによって離され、軌道高さ＝Ｈで送信機Ｔｘと共に軌道にあり、これらは各々、それぞれの軌道に沿って、軌道速度＝ｖで図の平面に対して直角の方向に進んでいる。図２では、２つの散乱中心Ｐ1およびＰ2が、受信機ペアからレンジＲおよび俯角θで相互から距離δｙだけ離されて示されており、各散乱中心は、送信機からの放射を受信機のペアに向けて後方散乱する。単一の後方散乱中心の場合は、２つの受信機によって収集された結合された受信フィールドは、各受信機からの受信信号が重畳されると、Ｆ＝（ｖＢ／λＨ）ｃｏｓ２（θ）によって与えられるビート周波数を有することになる。ここで、λは、送信されて後方散乱させられた信号の波長である。２つの散乱中心Ｐ1およびＰ2があり、これらがクロストラック方向にδｙだけ離されているとき、受信機ペアにおいて受信されるビート周波数の差はδＦであり、これは２つの項δＦθとδＦRの和であり、以下にそれぞれについての式が示される。
【００４２】
【数１】
0006828193.tif 000002
【００４３】
図示のように相互からクロストラック方向にずれた散乱中心間のビート周波数の差により、Ｐ1およびＰ2からの後方散乱させられた信号は、結合された受信信号のフーリエ分析を通して別々に測定されることが可能である。
【００４４】
[0052]既知の基線分離Ｂを伴う２つの受信機（Ｒｘ1、Ｒｘ2）が使用され、受信機の信号の相互相関は、各レンジにおけるクロストラック空間構造に関する周波数符号化された情報を有する。これが２次元ＳＡＲイメージ（複数のコヒーレント積分期間）と共に使用されて、３次元降水場マップが構築される。いくつかの実施形態では、ＡＬＢＩ基線は、約１０〜２０ｋｍ程度に長い必要がある。
【００４５】
[0053]引き続き図２を参照すると、２つの受信機Ｒｘ1およびＲｘ2のそれぞれは、降水場の２Ｄ（レンジ−ドップラ）ＳＡＲ画像を再構築するのに必要な後方散乱させられた放射を別々に収集する。再構築画像中で、軌道トラックとレンジ軸とに沿った空間次元は解像されるが、これらに対して直角（ほぼクロストラック）な空間情報は解像されない。しかし、この２つの受信機Ｒｘ1およびＲｘ2は正確に知られた分離Ｂを有するので、また各受信機における信号到着時間の正確な知識が観測されるので、Ｒｘ1およびＲｘ2における受信信号の相互相関は、電気的周波数に符号化されたクロストラック降水場構造に関する情報を含む。各コヒーレント２Ｄ  ＳＡＲ画像は、短いインターバルであるコヒーレント処理インターバルにわたって収集されるが、このインターバルは、落下する雨滴の散乱中心における速度差によるドップラ拡散が画像を劣化させないように、十分に短く選ばれる。各２Ｄ  ＳＡＲ画像中の信号対雑音を改善するために、これらの一連の２Ｄ画像は、一連のコヒーレント処理インターバル内で収集される。フーリエ変換に続いて（標準的なスポットライトＳＡＲ方法に続いて）、これらの２Ｄ画像は（インコヒーレントに）加算されて、信号対雑音比が改善される。対照的に、２つの受信機を使用する相互相関情報（第３の次元を解像する）は、観測期間全体にわたって収集される。というのは、この相互相関は、拡散される雨滴落下速度によって劣化させられないからである。
【００４６】
[0054]現在のマイクロ衛星技術は、十分な能力を有する小さいスラスタをサポートする。マルチスタティックＳＡＲシステムでは、正確な共通タイミング知識が画像再構築のために極めて重要であり、本明細書に記載のＲＦ結合された精密タイミング同期方法は、この観測概念を可能にする。ＲｘとＴｘの推進力の分離はまた、地面に近くサブ衛星トラックから離れた降雨後方散乱の観測を可能にし、これは、広い動眼視野（ＦＯＲ）を得ることへの鍵である。
【００４７】
[0055]ほとんどの宇宙機搭載型ＳＡＲの場合、画像フィールド全体は、複数の（コヒーレントに収集され、インコヒーレントに平均された）サブフィールドの集約となる。いくつかの場合では、基礎的なコヒーレント撮像サブフィールドサイズは約５×２０ｋｍであり、７０５ｋｍ軌道で画像動眼視野（例えば、１０×２４０ｋｍ、２０×６０ｋｍ）にわたってステップステア収集され、撮像領域へのアクセスを２分にわたって可能にし、次の複合フィールドのために約２０ｓ〜約５００ｓ内に宇宙機編隊が再設定される。
【００４８】
[0056]一実施形態では、５ｋｍアロングトラック×２０ｋｍクロストラック×１５ｋｍ垂直フィールドのサブフィールドが、２．５秒で収集された。各線形周波数変調（ＬＦＭ）パルスは約１００μｓであり、１５ｋｍにわたって１２５ｍ層を解像した。コヒーレントＳＡＲ５ｋｍ（×１５ｋｍ垂直）画像が、２．０ｍｓのコヒーレント処理インターバル（ＣＰＩ）中で収集された。各ＳＡＲ画像は、２０パルス（５ｋＨｚで）から組み立てられ、これらのうちの１００個が、２００ｍｓの非コヒーレント処理インターバル（ＮＣＰＩ）にわたって平均された。基礎的なクロストラック相互相関フィールドサイズである５×２０ｋｍが、２００ｍｓの累積コヒーレント処理インターバル（ＣＣＰＩ）にわたって収集された１つのクロストラックインターフェログラムを有し、これらのうちの６個が平均された（１．２秒で取得された）。サブフィールドドップラ拡散特徴付けは、４ｋＨｚ  ｖａｒ−ＰＲＦ（パルス繰返し周波数）の１秒であった。２４個のサブフィールドからなる複合フィールドが、２分の上空通過の間に収集された。２２〜８８マイクロラジアンステップに対して２．５秒のサブフィールド間「ステップ／整定期間」で、２４００ｋｍ2、すなわち２４０ｋｍ×１０ｋｍ（または他の組合せ）（例えば６０×１０ｋｍ）が可能である。
【００４９】
[0057]本開示のいくつかの実施形態では、少なくとも２つの受信機および少なくとも１つの送信機がある。これは、ＲＦ波長で重要な散乱フィールドなど、散乱体の３次元フィールドをマッピングする際に特に有用である。このような散乱体は、雲、または、埃粒子もしくは高い風塵のフィールド、ならびに、雨滴、雪片、雹、またはみぞれのフィールドを含む可能性があり、これらはすべて、散乱中心の３次元分布を有する。
【００５０】
[0058]本発明のいくつかの実施形態では、送信機はないが、送信機を宇宙から正確に突き止めるのに使用され得る位相リンクされた受信機がある。いくつかの場合では、これは、精密な電子戦において応用され得る。これは、ＧＰＳが拒絶および争奪される環境で当てはまる可能性がある。送信機および受信機の分散アーキテクチャは、精密な同期と共に、戦術的サポートと、監視と、盗聴の可能性の低い通信とを提供することができる。分散アーキテクチャの要素間での精密なタイミング同期は、スウォームトゥスウォーム（swarm-to-swarm）およびプラットフォームトゥスウォーム（platform-to-swarm）動作における利益も提供する。
【００５１】
[0059]他の実施形態では、受信機はないが、位相リンクされた（同期させられた）送信機がある。これは、それぞれが低電力で動作する複数の送信機から、共通の信号を調和的に送信できることを提供する。このような能力により、遠く離れて（例えば、木星の周りの軌道中で）動作する複数の宇宙機は、送信が同期させられるようにして地球への協調的返信を実施することができ、送信信号はコヒーレントに増加して信号強度を改善することができるであろう。
【００５２】
[0060]本開示の観測システムの実施形態は、２つの信号収集方法およびジオメトリを利用して、３次元降水場画像の再構築に必要なデータを集める。Ｋｕ帯を使用して、ほとんどの降水場密度下でのプロファイリングと、Ｐ−ＳＡＲ（バイスタティック、アロングトラック「スポットライト」モードＳＡＲ）とを可能にし、スポットライトモードで従来の２次元ＳＡＲデータを集め、構造を垂直に、また衛星トラックに沿って解像する。バイスタティックモードは、垂直入射のはるか彼方を観測するのを可能にしながらもなお、表面の数キロメートル内で低クラッタの降水場観測を提供する。送信機および受信機は、おそらく数十キロから数百キロメートルにわたりクロストラックで離される。このアプローチは、最初はコヒーレント撮像モード（ＳＡＲ）で、限られた空間フィールド（例えば５〜１０ｋｍ）中でデータをアロングトラックで集めるが、次いで、フィールドの多くの観測からのデータをインコヒーレントに集約する（強度モード）。
【００５３】
[0061]いくつかの実施形態では、短いコヒーレント積分期間は、１）速い衛星速度と、２）いくつかのフィールドについての強いドップラ分散とにより、利用可能である。いくつかの実施形態では、約７０５ｋｍの高度が選ばれて、十分に低いＳＡＲ「回転レート」が与えられた。いくつかの場合では、マルチスタティックおよびクロストラックのＡＬＢＩ（アクティブ長基線電波干渉法）が、長い（クロストラック）基線によって離された受信機のペアによるエコーの合同可視性を使用して、クロストラック分解能を提供する。次いで、２次元Ｐ−ＳＡＲ画像を制約として、トモグラフィックアプローチを使用して３次元画像が構築される。
【００５４】
[0062]観測システムの一実施形態では、単一パルス後方散乱電力（ｚ＝１）小滴フィールドが評価された。ここで、滴は１ｍｍ滴であった。単一パルス／単一ボクセルは、１０：１の信号対雑音比を有し、これは十分である。しかし、コヒーレント（ＳＡＲ）処理および１００倍のインコヒーレント集約は、ｚ＝１の場合に、画像信号対雑音比を１００：１よりも大きくした。式１を使用してＰNoiseについて解き、ここで、ｋBoltzＴ＝４×１０-21、ＢＷ＝２．４ＭＨｚ（ＳＡＲ線形周波数変調パルス）、ＮＦ＝雑音指数＝１．４、およびＲｃｖｒEff＝０．５、ＰNoise＝２．２×１０-14Ｗである。一般的な（後方散乱させられた）放射伝達は、式２を使用し、レンジサンプル当たりのパルス当たりの後方散乱させられた電力（１ｍｍ小滴の充満ビームに対する）は、式３を使用して計算され、小滴数密度：Ｎ（Ｄ）（Ｚ＝１の場合、１／ｍ3）、単一小滴レーダ断面積：σ0＝（λ＝２．２ｃｍで、１ｍｍ滴について１×１０-4ｃｍ2）；ＰTrans＝１００Ｗ（ピーク平均送信電力）、ＡRcvr＝π（０．５ｍ／２）2＝０．２ｍ2、ｒ＝７５０ｋｍ（スラントレンジ）、ηEff＝０．２５（５×２０カバレッジについてのビーム幾何効率）、ＡBeam＝２０ｋｍ＊５ｋｍ＝２００００×５０００2、Δｒ＝１２５／２ｍ、ΔＰRcvr＝パルス当たりの充満ビームに対して４．３×１０-11Ｗ、σＰRcvr＝パルス当たり５００×５００ｍ×１２５ｍボクセルについて２．２×１０-13Ｗである。
【００５５】
【数２】
0006828193.tif 000003
【００５６】
【数３】
0006828193.tif 000004
【００５７】
【数４】
0006828193.tif 000005
【００５８】
[0063]いくつかの予備コヒーレント画像合成チェック（アロングトラック）が実施された。スポットライトＳＡＲモードでは、送信機と受信機の両方がＲＯＩをトラッキングしたが、これは、各宇宙機によるバックスキャンマヌーバを必要とする。シーンの周りの有効回転レート＝１０．５ｍｒ／ｓ（７０５ｋｍ軌道高度で）であった。スポットライトＳＡＲ（５ｋｍのアロングトラックコヒーレントパッチ）の場合、１５メートル合成開口で、Δθ＝λ／２δｘ＝０．０２２ｍ／２／５００ｍ＝２２マイクロラジアン、および、４７７２Ｈｚサンプルレート最小で、δθ＝λ／２Δｘ＝０．０２２ｍ／２／５０００ｍ＝２．２マイクロラジアンであった。アンビギュイティのないレンジ観測のための最大サンプルレートは、１５ｋｍの高度がＫｕ降水について有用な上限であることと、アンビギュイティのない１５ｋｍの大気経路が２００ｍｓ＝１／５０００Ｈｚよりも大きいパルス期間を必要とすることとを示した。ＣＰＩ制限（２ｍ／ｓ  ｒｍｓのドップラ拡散の場合）λ／４σＤｏｐ＝２．７５ｍｓが、対応する脱相関時間下限であった。
【００５９】
[0064]引き続き図２を参照すると、使用される基本的な観測方法は、長基線電波干渉法（レンジ分解）の能動バージョンである。Ｂで離された受信機の合同可視性機能は、衛星速度ｖで変調され、半径Ｒ＝Ｈ／ｃｏｓ（θ）で作用して回転を生み出す。天空でのフリンジ期間（角度）は、λ／（Ｂ  ｃｏｓ（θ））によって与えられ、フリンジレート（毎秒）はＦ＝ｖＢ  ｃｏｓ２（θ）／（λＨ）であり、フリンジレートの変化はδＦθ／δｙ＝−（ｖＢ／λＨ2）ｃｏｓ3（θ）ｓｉｎ（θ）、δＦR／δｙ＝−（ｖＢ／λＨ2）ｃｏｓ3（θ）である。一実施形態で使用されたいくつかの例示的なＡＬＢＩパラメータは、Ｂ＝２０ｋｍ、Ｈ＝７０５ｋｍ、θ＝２０度、λ＝２．２ｃｍ、ｖ＝７．５ｋｍ／ｓ、１３Ｈｚ／ｋｍ、および８５４５Ｈｚであった。
【００６０】
[0065]図３を参照すると、本開示の原理による、送信機の一実施形態（左）および受信機の一実施形態（右）のブロック図が示されている。ここでは、成熟技術サブシステム、および本開示の精密タイミング同期を扱うように構成された新規なサブシステムと共に、標準的なサブシステムが示されている。ここでは、送信機Ｔｘの一実施形態が、コマンドセンタなどにデータを送信し（Ａ）、信号を送信する（Ｂ）。この信号は、受信機Ｒｘによって受信される（Ｃ）。
【００６１】
[0066]引き続き図３を参照すると、いくつかの標準的および成熟技術サブシステム、ならびに本明細書に記載の同期モジュールが示されている。より具体的には、システムの送信機部分Ｔｘについては、トラッキングおよびデータ中継衛星（ＴＤＲＳ）システム２０モジュールなどと対話するための通信システムがある。送信機上（左）と受信機上（右）の両方に、コマンドおよびデータ処理システム（Ｃ＆ＤＨ）モジュール２２があり、また、姿勢制御システムモジュール２４と、衛星電力管理および蓄積モジュール２６とがある。加えて、本開示でより詳細に記述されるように、精密時間および同期システム（ＰＴＳＳ）通信モジュール４０が、送信機上と受信機上の両方にある。いくつかの場合では、ＰＴＳＳモジュールは、ＲＦリンク４２などを介して通信する。
【００６２】
[0067]送信機Ｔｘ上には、軌道保持スラストモジュール２８および廃熱蓄積および拒否モジュール３０もある。加えて、送信機Ｔｘは、送信機電力管理および蓄積モジュール３２とレーダ送信機３４とを有する。いくつかの場合では、レーダ送信機はＫｕ帯で動作する。いくつかの場合では、Ｋｕ帯レーダ送信機は、２ｍ×０．５ｍのサイズのアンテナ３６を有する。いくつかの実施形態では、送信機Ｔｘは、センサ制御処理モジュール３８も有する。
【００６３】
[0068]引き続き図３を参照すると、受信機Ｒｘ上には、受信機プロセス制御モジュール４４、構成可能リセットスラスト４５、およびレーダ受信機４６がある。いくつかの場合では、レーダ受信機はＫｕ帯で動作する。いくつかの場合では、Ｋｕ帯レーダ受信機アンテナ４８は、直径０．５ｍｍである。
【００６４】
[0069]表１は、本開示のシステムの一実施形態に関するいくつかのＳＡＲ撮像パラメータを示す。
【００６５】
【表１】
0006828193.tif 000006
【００６６】
[0070]システムの第１の実施形態の物理設計は、１つの送信機マイクロ衛星と２つの受信機マイクロ衛星とを含んでいた。受信機マイクロ衛星は、サイズ、質量、電力要件、および機能において、ＣＹＧＮＳＳ宇宙機と同様であった。送信機マイクロ衛星は、固体またはＴＷＴＡのいずれかの、Ｋｕ帯送信機を有していた（両方とも、必要とされるＲＦ電力に対応する）。一実施形態では、限られた軌道平均電力（およびスポットライトモードの使用）が、総デューティサイクルを制限した。いくつかの場合では、送信機は、エネルギーを蓄積し、次いで短いインターバルにわたり動作する必要がある。送信機はまた、余分な熱を素早く吸収して隔離し、これをより長い期間にわたって空間に放射する必要がある場合もある。
【００６７】
[0071]一実施形態では、送信機宇宙機は、約２７Ｕサイズ（総計５０ｋｇ。５０Ｗの軌道平均電力を伴うペイロードを提供する）であった。送信機宇宙機は、Ｋｕ帯で、１００Ｗピーク電力送信機（ＬＦＭパルス）を用いて、エネルギー管理システムを使用して約２０％の電力デューティサイクルで動作した。送信機宇宙機は、展開可能な２ｍ×０．５ｍイルミネータアンテナ（３Ｕ格納体積）、ＰＡＴＳ送信／受信アンテナ、精密アクティブ同期ドーターカードを備えるＳＢＣ、精密ビームステアリング（１ｍｒ／秒レート、０．１ｍｒ精度）、および軌道保持推進力を有していた。
【００６８】
[0072]一実施形態では、受信機宇宙機（例えば、一応用例では、最低２つの宇宙機）は、約６Ｕ〜１２Ｕサイズ（総計１５ｋｇ。１５Ｗの軌道平均電力を伴うペイロードを提供する）であり、Ｋｕ帯５Ｗ受信機を動作させ、展開可能な０．５ｍ受信機アンテナ（約１．５Ｕ格納体積）、ＰＡＴＳ送信／受信アンテナ、精密アクティブ同期ドーターカードを備えるＳＢＣ、１／４軌道当たりの軌道変更推進力（１ｍ／ｓ  Δｖ）、および精密ビームステアリング（１ｍｒ／秒レート、０．１ｍｒ精度）を有していた。
【００６９】
[0073]予備同期テストが実施されたが、わずか７ｐｓ  ｒｍｓのタイミング同期ジッタを示し、したがってＫｕ帯の要件を満たし、較正後はわずか１００ｐｓの固定オフセットであった。いくつかの実施形態では、ごく小さいタイミングオフセットと共に、３ｐｓ  ｒｍｓ未満のタイミング同期ジッタが可能である。いくつかの場合では、ハードウェア実装形態は、商用グレードの電子回路からなるブレッドボードを備える。より最近では、設計アプローチが精緻化され、それによりこの方法は、ＲＦキャリア周波数から独立することができ、０．３〜４０ＧＨｚの範囲のどのキャリア周波数でも利用されることが可能になった。これによってまた、システム中で使用される、鍵となる位相ロック波形合成および分析機能は、位相ロックＲＦ波形を直接にサンプリングするモノビット（Monobit）Ａ／Ｄを備える低電力（例えば５Ｗ）ＣＣＡ中で実装されることが可能になった。鍵となるＤＳＰ機能は、ＭｉｃｒｏＳｅｍｉ  ＲＴＧ４  ＦＰＧＡによって提供された。他の場合では、ＡＳＩＣの使用が、電力需要を１Ｗ／ノードに低下させる。
【００７０】
[0074]双方向時刻伝送を使用した同期方法は、テルロメトリ（tellurometry）として知られる、レーダの初期に開発された方法の、特定の実装形態である。この方法は、２つのプラットフォーム間で交換される特有に設計されたＲＦ波形（位相ロック波形）を使用する。一実施形態では、入来波形が復調され、分析され、訂正信号の導出に使用される。次いで、訂正信号は合成されて、他方のプラットフォームに返送される。他方のプラットフォームは、同じプロセスを再び適用する。この交換を通して、各プラットフォーム上の基準発振器の周波数差および位相差が決定される。これらのプラットフォームの一方（例えばスレーブ）上で、訂正フィードバック項が発振器制御に適用されて、その発振周波数が他方の（例えばマスタ）発振器の発振周波数の方にシフトされる。この方法により、ＯＣＸＯ（オーブン制御水晶発振器）など、中程度の安定性を有する低電力（例えば２００ｍＷ〜１Ｗ）マスタ発振器は、宇宙機の「クロック」として使用されることが可能であり、本システムを使用して、これらの間で非常に正確な位相および周波数ロックを取得および維持することができる。この方法は、複数のリモートスレーブ発振器が１つのマスタとうまく同期できるようにする。
【００７１】
[0075]この同期動作を低電力で実施することへの鍵は、キャリア周波数の入来位相ロック波形を直接にディジタル化し、後続の信号処理ステップがディジタルに行われるのを可能にすることである。これにより、ＲＦ前置増幅器、ミクサ、および中間周波数回路、ならびにこれらのコンポーネントが引き込む電力の必要性がなくなる。上で議論されたモノビット受信機は、鍵となるこの機能を実施する。これは、４ＧＨｚまでの周波数の場合に実地動作することが示された。最近の実装形態では、４０ＧＨｚサンプルレートまでの直接Ａ／Ｄが、４５ｎｍ  ＣＭＯＳ中で示された。いくつかの場合では、同期システムの機能は、単一の６Ｕ１５０ＣＣＡ中で実装された。
【００７２】
[0076]本開示の一態様は、編隊をなす機敏なマイクロ衛星を利用する、高分解能、３次元、マルチスタティックの降水レーダである。マイクロ衛星は、新規な高精度の超低電力リモートタイミング同期技術を介してリモートに結合される。このアプローチは、２４００ｋｍ2の領域にわたり、約１ｋｍの水平空間分解能および約１２５ｍの垂直分解能で降水場をプロファイルする。いくつかの実施形態では、システムは、ほとんどの降水場を垂直にプロファイルするのに極めて重要であるＫｕ帯を使用して、この方法を実施する。この観測能力は、初めて宇宙から、鍵となる対流性嵐プロセスをストームスケールで特徴付けるのを可能にする。このアプローチは、小衛星技術および発射能力における急速な発展を直接に活用して、他の宇宙機搭載型降水レーダシステムの１０分の１を下回る低いコストポイントで著しい能力を提供する。
【００７３】
[0077]本開示のアロングトラックスポットライトモード合成開口レーダ（ＳＡＲ）能力は、手頃な価格の実開口降水レーダよりもはるかに大きい１５ｍの開口を実質的に合成する。本明細書に記載のような、無線天文学において使用される長基線電波干渉技法に基づく方法によって、高いクロストラック空間撮像が提供される。この観測アーキテクチャは、将来の数値気象予報のためのサブスケール降水モデルを更新するのに必要とされる空間分解能で嵐プロセスを特徴付けるのを可能にすることによって、プロセス研究をサポートする。より長期的には、低コストの全気象プロファイリング能力のこの組合せは、合図ありのステアリング可能な低地球軌道（ＬＥＯ）局地的嵐プロファイリングシステムを可能にするであろう。
【００７４】
[0078]本開示のシステムのいくつかの実施形態は、３〜１００ＧＨｚ範囲のＲＦ周波数で少なくとも機能する。気象レーダにとって意味をなす具体的な周波数は、雨滴の後方散乱断面の強度（これは周波数に依存する）、ならびに、利用可能な衛星リソース、所与の嵐タイプの「中を見る」必要のある深度、および時間同期の技術的能力の影響を受ける。いくつかの場合では、Ｋｕ帯システムを使用する選択は、妥当な最適条件である。というのは、Ｋｕ帯システムは、妥当なサイズおよび妥当な軌道のマイクロ衛星をもっぱら使用しながら、強い嵐さえも「見通す」こと、現在の工学能力内の時間同期技術を使用すること、許容可能な画像サイズおよび解像度の３Ｄイメージを提供することができるからである。
【００７５】
[0079]この鍵となる技術の宇宙定格実装形態は、約５Ｗ／ノードを使用する５ピコ秒のリモートタイミング同期方法である。いくつかの実施形態では、宇宙硬化型回路カードアセンブリ（ＣＣＡ）レベルが利用され、これは、約２０ＧＨｚキャリア周波数の入来位相ロック波形を直接にディジタル化する革新的なモノビット設計を組み込み、また、本開示の精密アクティブタイミング同期（ＰＡＴＳ）技法の革新的な位相ロック分析および合成機能を組み込む。単一事象反転が同期プロセスに余分なエラーを導入するリスクを評価するために、重イオンテストも使用された。この技術は、高周波数マルチスタティックレーダシステムを含めた、精密な同期を必要とする複数の地球観測方法の小型化を可能にする。
【００７６】
[0080]図４を参照すると、合成開口レーダ方法の一実施形態が示されている。より具体的には、少なくとも１つの送信低地球軌道衛星を少なくとも２つの受信低地球軌道衛星とリモートに結合すること（１００）、少なくとも１つの送信低地球軌道衛星と少なくとも２つの受信低地球軌道衛星とを編隊飛行させること（１２０）、ならびに、少なくとも１つの送信低地球軌道衛星および少なくとも２つの受信低地球軌道衛星の位相を同期させること（１３０）が、少なくとも２つの受信低地球軌道衛星を介して複数の２次元強度画像をアロングトラックで収集および解像すること（１４０）を可能にする。少なくとも２つの受信低地球軌道衛星をスポットライト合成開口レーダモードで動作させること（１５０）、および、信号対雑音を高めるために複数の２次元強度画像を集約すること（１６０）、および、少なくとも１つの送信低地球軌道衛星を介して、クロストラックレンジ分解長基線電波干渉法を使用して複数の可視性インターフェログラムを収集すること（１７０）により、システムは、集約された２次元強度画像と複数の可視性インターフェログラムとを使用して３次元降水場を生み出すことができる（１８０）。
【００７７】
[0081]以上から、本発明が、記憶媒体上で供給されるかまたはローカルエリアネットワークもしくはワイドエリアネットワーク（インターネット等）などの伝送媒体を介して供給される場合のあるコンピュータソフトウェアとして、実装され得ることが認識されるであろう。さらに、添付の図に描かれた構成システムコンポーネントおよび方法ステップのいくつかはソフトウェアにおいて実装されることが可能であるので、システムコンポーネント（またはプロセスステップ）間の実際の接続は、本発明がプログラムされる方式に応じて異なる場合があることも理解されたい。本明細書で提供される本発明の教示があれば、当業者なら本発明のこれらおよび類似の実装形態または構成を企図することができるであろう。
【００７８】
[0082]本明細書に記載のコンピュータ可読媒体は、磁気ディスク、光磁気ディスク、光ディスク、もしくはフラッシュドライブなど、データ記憶デバイスまたはユニットとすることができる。さらに、本明細書における「メモリ」という用語は、一過性の電子メモリ、非一過性のコンピュータ可読媒体、および／またはコンピュータ書込可能媒体など、永続的であろうと一時的であろうと様々なタイプの適切なデータ記憶媒体を含むものとして意図されることも認識されるであろう。
【００７９】
[0083]本発明は、様々な形のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、専用プロセス、またはこれらの組合せにおいて実装されることが可能であることを理解されたい。一実施形態では、本発明は、コンピュータ可読プログラム記憶デバイス上で有形に具現化されたアプリケーションプログラムとして、ソフトウェアにおいて実装されることが可能である。アプリケーションプログラムは、任意の適切なアーキテクチャを備えるマシンにアップロードされて、マシンによって実行されることが可能である。
【００８０】
[0084]本発明の様々な実施形態が詳細に記述されたが、これらの実施形態の様々な修正および改変が当業者には思い付くであろうしすぐに明らかであろうことは、明らかである。しかし、そのような修正および改変も、付加された特許請求の範囲に示される本発明の範囲および精神の内にあることを明確に理解されたい。さらに、本明細書に記載の本発明は、他の実施形態も可能であり、他の様々な関連方法で実践または実施されることも可能である。加えて、本明細書で使用される表現法および術語は、記述のためのものであり、限定と見なされるべきでないことも理解されたい。本明細書における「含む」「備える」または「有する」およびこれらの変形の使用は、その後に列挙されるアイテムおよびその均等物、ならびに追加のアイテムを包含するものとされ、一方「からなる」および「のみからなる」という用語のみが、限定的な意味に解釈されることになる。
【００８１】
[0085]本開示の実施形態に関する以上の記述は、例証および記述の目的で提示された。これは、網羅的なものとは意図されず、また、開示された正確な形に本開示を限定するものとは意図されない。本開示に鑑みて、多くの修正および変形が可能である。本開示の範囲は、この詳細な記述によってではなく、本明細書に付加された特許請求の範囲によって限定されるものと意図される。
【００８２】
[0086]いくつかの実装形態が記述された。しかし、本開示の範囲を逸脱することなく様々な修正が加えられてもよいことを理解されたい。図面では動作が特定の順序で描かれているが、これは、望ましい結果を達成するために、このような動作が図示の特定の順序もしくは逐次的な順序で実施されること、または例証されるすべての動作が実施されることを必要とするものと理解されるべきではない。
【００８３】
[0087]本開示の原理が本明細書に記述されたが、この記述は、例としてなされるに過ぎず、本開示の範囲に関する限定としてなされるものではないことを、当業者は理解されたい。本明細書で図示および記述される例示的な実施形態に加えて、他の実施形態も、本開示の範囲内で企図される。当業者による修正および代用も、本開示の範囲内と見なされる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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