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Abstract
Recent reports on Arctic climate change sparked an interest in the development of a new observing system for this region, specifically a satellite system making use of a highly elliptical orbit (HEO), an idea supported by the World Meteorological Organization. This paper attempts to quantify the advantages of such a system relative to a traditional constellation of Lower Earth Orbit (LEO) polar satellites. A realistic two-satellite HEO system is compared with currently operating two-, four-, and seven-satellite LEO constellations in terms of spatio-temporal coverage and capability to provide sequences of single, dual, and triplet images at a required temporal resolution. This is important to properly monitor dynamic events, such as volcanic ash transport, frontal systems, smoke from wild fires, and cloud motion from which wind vectors are derived. A two-satellite HEO system is 5–10 times more efficient for monitoring dynamic events from image pairs above 70°N than a standard four-satellite morning-afternoon sun synchronous LEO constellation. An analytical model was developed to quantify the spatio-temporal coverage from a LEO constellation. Results demonstrate that a LEO constellation with orbital characteristics similar to the upcoming Joint Polar Satellite System should include as many as 23 (34) spacecrafts to achieve coverage with 15 (10) min refresh rate at 60°N, i.e., the capability of a two-satellite HEO system. In addition, data reception issues and the need for complex image compositing affect the product latency of an LEO system, and further reduce its efficiency in comparison with an HEO system.
Les rapports récents traitant de la modification du climat dans l'Arctique suscitent de l'intérêt pour le développement de nouveaux systèmes d'observations pour cette région, en particulier un système satellitaire défini sur orbite fortement elliptique (OFE), une idée endossée par l'Organisation Météorologique Mondiale. Cet article vise à quantifier les avantages d'un tel système par rapport à une constellation traditionnelle de satellites à orbite polaire basse (OPB). La constellation OFE à deux satellites est comparée à des configurations OPB composée de 2, 4, et 7 satellites existants en termes de couverture spatio-temporelle et capacité de produire des images individuelles, paires ou trios à une résolution temporelle donnée. Il est particulièrement important de bien observer des paramètres dynamiques, tels que le mouvement de cendres volcaniques, les systèmes frontaux, la fumée des feux de forêt, et les vents dérivés du déplacement des nuages. On démontre qu'au-delà de 70°N, le système OFE à deux satellites est de 5 à 10 fois plus efficace pour l'observation de paramètres utilisant des paires d'images que le système OPB à quatre satellites. La capacité du système OPB à produire des séquences de 15 minutes est quasi-nulle aux latitudes inférieures à 70°. Un modèle analytique a été développé pour quantifier la couverture spatio-temporelle du système OPB. D'après ce modèle, la constellation OPB, définie par des caractéristiques orbitales semblables à celle du « Joint Polar Satellite System », aurait besoin pour égaler la couverture du système OFE à deux satellites de pas moins de 23 (35) satellites pour obtenir une résolution temporelle de 15 (10) minutes à 60°N. De plus, le mode d'acquisition et les complexités reliées à la composition de mosaïques d'images du système OPB influent sur le temps de livraison des produits, réduisant encore plus son efficacité par rapport au système OFE.
Acknowledgements
Work of A.P. Trishchenko on this project was supported by funding from the Network Strategy and Design division of the Meteorological Service of Canada, Environment Canada. Authors gratefully acknowledge the use of the North American Aerospace Defence Command (NORAD) Two Line Element (TLE) database maintained by Dr. T.S. Kelso (http://celestrak.com/NORAD/elements/). We thank Josep Aparicio for his careful review of the manuscript.
| List of symbols | ||
| a | = | orbit semi-major axis |
| e | = | eccentricity |
| FVZA | = | Viewing Zenith Angle (VZA)-factor |
| GM | = | standard gravitational parameter for the Earth (3.986×1014m3s−2 |
| h | = | imaging altitude |
| i | = | inclination |
| m | = | number of satellites within a particular orbital plane |
| M | = | number of image swaths (orbital planes) |
| N | = | total number of satellites |
| Ñ | = | effective number of satellites at the equator required to achieve 1-min revisit rate |
| R Earth | = | Earth's radius (assumed 6371 km) |
| S | = | width of the image swath |
| T | = | satellite orbital period |
| β | = | scanning angle |
| Δt | = | LEO satellite revisit rate |
| ϕ | = | latitude |
| Ω | = | Right Ascension of Ascending Node (RAAN) |