Космические системы мониторинга Земли и атмосферы

Основным преимуществом использования метеорологических космических систем, включающих несколько однотипных космиче­ских аппаратов (КА), является оперативное получение в глобальном масштабе гидрометеорологических данных с необходимым разреше­нием.

Метеорологическая космическая система «Метеор». В состав системы входят два спутника «Метеор-2», находящихся на квазипо­лярных круговых орбитах высотой около 900 км, плоскости которых пересекаются под углом 100°. Угол наклона орбиты составляет 81,2°. Средний период обращения -- 102,5 мин. На спутнике установлена аппаратура, предназначенная для получения изображения облачности, ледяных и снежных полей и подстилающей поверхности (в диапазоне 0,5-0,7 мкм), для обнаружения и прослеживания облачности на тене­вой стороне Земли (в окне прозрачности 8-12 мкм), а также другая спектрометрическая аппаратура, предназначенная для определения температуры и высоты верхней границы облаков, для решения задач термического зондирования атмосферы и для наблюдений за потоками проникающего излучения в околоземном пространстве.

Российский метеорологический полярно-орбитальный КА «Ме- теор-3М» №1. КА «Метеор-3М» №1 (рис. 4.1) предназначен для сле­дующих основных задач:

- получение глобальных и региональных изображений облачно­сти в видимом и инфракрасном диапазонах спектра для синоптическо­го анализа и уточнения синоптических процессов (МР-2000М);

- получение глобальных и региональных данных о температуре поверхности океана и высоте верхней границы облачности;

- определение местоположения и динамики перемещения атмо­сферных вихрей (МР-2000М);

- получение данных о ледовой обстановке на акваториях морей и океанов, границах снежного покрова (МТВЗА);

- получение глобальных данных температурно-влажностного зондирования атмосферы (МТВЗА), зонах интенсивных осадков, инте­гральном водозапасе облаков (МИВЗА) и др.

как традиционных метеорологических, так и природно-ресурсных за­дач. На борту также имеется комплекс аппаратуры гелиогеофизиче­ских измерений, американский экспериментальный прибор SAGE-III, предназначенный для определения вертикального распределения аэро­золей и малых газовых компонент атмосферы.

КА «Метеор-3М» №1 (запущен 10 декабря 2001 г.): орбита — солнечно-синхронная, максимальная высота орбиты — 1029 км, ми­нимальная — 1005 км, наклонение — 99°60', период вращения 105,3 мин.

Таблица 4.1

Аппаратура КА «Метеор-3М» №1

Радиолинии: диапазон 8,2 Ггц (передача данных МСУ-Э, МСУ- СМ); диапазон 1,7 Ггц (передача данных SAGE-III, МИВЗА, МТВЗА,

МСГИ-5ЕИ, КГИ- 4С); диапазон О,465 Ггц (передача глобальных дан­ных).

Состоявшийся запуск является первым шагом на пути восста­новления российской полярно-орбитальной метеорологической кос­мической системы. Спутник подготовлен Российским авиационно­космическим агентством совместно с Росгидрометом (заказчик КА «Метеор-3М» №1) в рамках Федеральной космической программы России. В настоящее время осуществляются летные испытания КА «Метеор-3М» № 1. Прием данных с КА «Метеор-3М» №1 ведется ос­новными приемными центрами Росгидромета в Обнинске (НИЦ «Пла­нета»), Новосибирске (ЗС РЦПОД) и Хабаровске (ДВ РЦПОД). Сбор и обработка основного объема данных осуществляются московским цен­тром НИЦ «Планета».

Рис. 4.1. Российский полярно-орбитальный метеорологический КА «Метеор-М»

Спутник NOAA (США). Метеорологические спутники NOAA (рис. 4.2) имеют длину 4,18 м, диаметр -- 1,88 м, массу на орбите -- 1О3О кг. Круговая орбита имеет высоту 87О км, один виток спутник совершает за 1О2 мин. Площадь солнечных батарей спутника -- 11,6

_м²_,

Рис. 4.2. Спутник NOAA

В настоящее время на орбите функционируют несколько спут­ников. Сканер AVHRR спутника NOAA-14 с цилиндрическим скани­рованием имеет 8-дюймовую (20 см) оптическую систему Кассегрена, сканирование осуществляется путем вращения с частотой 6 об/с зерка­ла из бериллия. Угол сканирования — ±55°, полоса обзора — около

3000 км. Из-за кривизны Земли зона радиовидимости спутника состав­ляет ±3400 км, поэтому за один проход спутника удается получить информацию с поверхности около 3000x7000 км.

Спектральные каналы сканера выбраны так, что попадают в ок­на прозрачности атмосферы (мкм):

1- й — 0,58-0,68 (красный участок спектра);

2- й — 0,725-1,0 (ближний ИК);

3- й — 3,55-3,93 (участок ИК диапазона, оптимальный для изме­рения излучения от лесных и других пожаров);

4- й — 10,3-11,3 (канал для измерения температуры поверхности суши, воды и облаков);

5- й — 11,4-12,4 (канал для измерения температуры поверхности суши, воды и облаков).

На спутнике NOAA-15 установлен дополнительный канал, ра­ботающий на волне длиной около 1,6 мкм для распознавания снега и льда.

В 1-м и 2-м каналах в качестве детекторов излучения применя­ются кремниевые фотодиоды. В 4-м и 5-м каналах установлены охла­ждаемые до 105 К фоторезисторы, в 3-м канале — охлаждаемый фото­резистор. На спутнике NOAA, как и на других спутниках, предусмот­рена бортовая калибровка датчиков.

Сканер AVHRR имеет мгновенное поле зрения во всех каналах А(р = 1,26 -10^-3 рад, разрешение на местности в подспутниковой точке выбрано AL = 1,1 км. Это связано с тем, что скорость спутника на ор­бите составляет 7,42 км/с, его проекция движется по поверхности Зем­ли со скоростью 6,53 км/ч, сканер делает 6 сканов/с, за время одного скана проекция перемещается на l = 6,53/6 км = 1,09 км. Указанному полю зрения в подспутниковой точке соответствует пиксел 1,1 X 1,1 км. Сигналы каждого канала квантуются на 1024 уровня (10-битное кван­тование). Передатчик спутника имеет мощность 5,5 Вт, частота -­1700 МГц. Скорость передачи цифровой информации со сканера AVH RR составляет 665,4 Кбит/с.

На спутнике установлена аппаратура KIRS для определения температуры в тропосфере на разных высотах (вертикальные профили атмосферы) в полосе обзора 2240 км. Для этого HIRS содержит авто­матический сканирующий спектрофотометр ИК диапазона, исполь­зующий свойство углекислого газа изменять положение и ширину ли­нии поглощения на длинах волн порядка 14-15 мкм в зависимости от давления. Этот же прибор позволяет оценивать общее содержание озона (ОСО) в столбе атмосферы по поглощению теплового излучения от поверхности Земли и атмосферы на длине волны 9,59 мкм. И верти­кальные профили, и ОСО вычисляются на приемном конце путем ре­шения обратных задач.

Кроме указанной аппаратуры на спутник установлены: прибор SSU для исследования стратосферы; микроволновый прибор MSU для измерения температурных профилей стратосферы; аппаратура поиска и спасения по международной программе Коспас/SARSAT; система ARGOS для сбора метеорологической и океанографической инфор­мации с автоматических метеостанций, морских буев и воздушных ша­ров; некоторые другие приборы.

Спутник «Ресурс-01» (Россия). Высота орбиты — 650 км, пери­од обращения — 97,4 мин, угол наклонения орбиты — 97°,97. Сканер МСУ-СК с конической разверткой имеет скорость сканирования 12,5 дуг/с, разрешение — 150X250 м, полосу обзора — 600 км, спектраль­ные каналы: 0,5-0,6 мкм (зеленый участок спектра), 0,6-0,7 мкм (крас­ный участок), 0,7-0,8 мкм (красный и ближний ИК), 0,8-1,1 мкм (ближний ИК), 10,5-12,5 мкм (тепловой, в этом канале разрешение 500 м). Сигнал каждого канала квантуется на 256 уровней. Масса сканера — 55 кг.

На спутнике «Ресурс-01» (рис. 4.3) установлены два сканера МСУ-Э с линейной разверткой, содержащие по 3 линейки на ПЗС по 1000 пикселов (по одной на каждый из 3 спектральных каналов). Раз­решение — 35x45 м, скорость сканирования — 200 строк/с, полоса обзора каждого сканера — 45 км; если включены оба сканера, то поло­са обзора составляет 80 км, так как полосы обзора перекрываются. Над одной и той же точкой поверхности спутник пролетает один раз в 14 дней. Чтобы повысить регулярность приема, предусмотрено отклоне­ние оси сканера на ±30° от надира в направлении, перпендикулярном направлению движения спутника. Это позволяет смещать полосу об­зора на ±400 км. Спектральные каналы сканера: 0,5-0,59; 0,61-0,69;

0,7-0,89 мкм.

Рис. 4.3. Спутник « Pecypc-01»

Масса прибора — 23 кг. Результаты измерений передаются по

радиоканалу на частоте около 8 ГГц со скоростью 7,68 Мбит/с, мощ­ность бортового передатчика — 10 Вт.

Спутник LANDSAT-5 (США). Высота орбиты — 705 км, накло­нение орбиты — 98,2°, период обращения — 98 мин. Над одной и той же точкой поверхности пролетает один раз в 16 дней приблизительно в 9 ч 45 мин местного времени. Установлены 2 сканера с цилиндриче­ской разверткой: Multi-Spectral Scanner (MSS) и Thematic Mapper (TM).

Thematic Mapper имеет разрешение AL = 30 м во всех спек­тральных каналах, кроме шестого, где оно равно AL = 120 м. 1-4-й ка­налы перекрывают диапазон 0,45-0,9 мкм; 5-й — 1,55-1,75 мкм, 7-й — 2,08-2,35 мкм, 6-й канал — тепловой (10,4-12,5 мкм). Формирование изображения осуществляется с помощью вращающегося зеркала диа­метром 53 см с частотой 7 Гц. В 1-4-м каналах в качестве фотоприем­ников применяются кремниевые фотодиоды, в 5-м и 7-м каналах — фоторезисторы из InSb, охлаждаемые до 87 К, в 6-м канале использо­ван фоторезистор из (HgCd) Те. ТМ имеет полосу обзора 185 км, вы­ходной сигнал каждого канала квантуется на 256 уровней, скорость формирования информационного потока — 85 Мбит/с.

Если бы для каждого канала применялся один фотоприемник, то при указанных скоростях сканирования не удалось бы обеспечить ука­занного разрешения. Столь высокое разрешение сканеров достигнуто за счет применения линейки фотоприемников, ориентированной вдоль направления движения спутника, и последовательного считывания информации с элементов линейки.

Спутник SPOT-3 (Франция). Орбита почти круговая высотой 820 км с наклонением 98,7°, период обращения — 101 мин. На спутни­ке установлены два сканера HVR с линейной разверткой, фотоприем­никами служат 1728-элементные ПЗС-линейки, ориентированные пер­пендикулярно движению спутника, цветоделение осуществляется с помощью призм. Возможен панхроматический режим, перекрываю­щий зеленый, красный и ближний ИК диапазоны (0,51-0,73 мкм). При этом используются 4 линейки, количество пикселов в них достигает 6000, разрешение в надире AL = 10 м.

В многоспектральном режиме реализуются три канала: 0,5-0,59, 0,61-0,68, 0,79-0,89 мкм, по две линейки на канал (AL = 20 м). В пан­хроматическом режиме сигнал квантуется на 64 уровня, в многоспект­ральном — на 256 уровней для каждого канала. Полоса обзора равна 60 км в обоих случаях. Если включены оба сканера Н VR, то полоса об­зора равна 117 км с 3-километровым перекрытием. Периодичность на­блюдения заданного района составляет 1 раз в 26 дней. Камера может отклоняться от направления в надир до ±27°, поэтому полоса обзора может смещаться вправо и влево до 475 км от трассы спутника. При этом периодичность наблюдения заданного района может составлять 1-4 суток. Особенностью спутника SPOT является возможность полу­чать стереоизображения земной поверхности путем съемки одного и того же участка на двух последовательных витках.

100,67 мин. В состав бортовой аппаратуры включена радиолокацион­ная станция микроволнового зондирования AMI (Active Microwave Instrument), которая обеспечивает три режима работы.

Режим построения радиолокационных изображений подсти­лающей поверхности с использованием синтезированной апертуры антенны (AMI-SAR image mode) применяется при наблюдении берего­вой зоны, полярных льдов, при определении состояния поверхности моря, выявлении особенностей геологического строения земной по­верхности, изучении растительного покрова. Сигналы, отраженные от поверхности Земли, могут приниматься двумя антеннами, располо­женными одна над другой. По разности фаз их сигналов (интерферо­метрический метод измерения) можно определять высоту наземных объектов с точностью 10 м.

Аппаратура AMI имеет следующие характеристики: мощность передатчика — 1270 Вт, частота — 5,3 ГГц, длительность импульса — 37,1 мкс, ширина спектра излучаемых сигналов — 15,5 МГц, верти­кальная линейная поляризация излучаемых и принимаемых волн, про­странственное разрешение — 30 и 100 м, ширина полосы обзора — 100 км при угле падения излучаемых электромагнитных волн на по­верхность Земли 23° в центре полосы. На кодирование каждого отсче­та отводится 16-битное слово.

Режим изучения морских волн с использованием синтезирован­ной апертуры антенны (AMI-SAR wave mode) обеспечивает определе­ние направления и длины морских волн. Данный режим программно включается каждые 200-300 км, позволяя получать изображения раз­мером 6X6 км, по которым можно оценивать характеристики морских волн. В этом режиме излучаемая мощность — 540 Вт, частота — 5,3 ГГц, поляризация излучаемых и принимаемых волн вертикальная, точ­ность измерения длины волны — ±25 % в диапазоне 100-1000 м, точ­ность определения направления волн — ±20° в диапазоне 0-180°.

Режим трехлучевого скаттерометра (AMI Scatterometer mode) предназначен для определения характеристик приповерхностных мор­ских ветров. В этом режиме три передающие антенны формируют три луча, сканирующие в полосе шириной до 500 км, позволяя определять направление и скорость ветра. Элементы разрешения размером 50X 50 км формируются с интервалом 25 км. Характеристики AMI сле­дующие: излучаемая мощность — 540 Вт, частота — 5,3 ГГц, точ­ность определения скорости ветра — ±2 м/с или 10 % в диапазоне 2-24 м/с, точность определения направления ветра — ±20° в диапазоне 0­360°, угол падения лучей изменяется в пределах 27-58°, обеспечивая полосу обзора шириной 500 км. Скорость передачи информации — 500 кбит/с. Во всех трех режимах полоса обзора аппаратуры AMI смещена относительно трассы ИСЗ вправо по ходу движения.

В состав измерительной аппаратуры входит также радиолокаци­онный высотомер RA (Radar Altimeter) на частоту 13,8 ГГц для опреде­ления скорости ветра, измерения характерной высоты волн, топогра­фии морской поверхности, ледяного покрова и поверхности суши, по­строения контуров ледяных массивов, а также выявления границ мор­ских льдов. Высотомер может работать в режиме исследования океана (Ocean Mode), обеспечивая точность измерения скорости волн 2 м/с и точность измерения высоты волн 0,5 м в диапазоне 1-20 м в пределах пятна размером 1,6-2,0 км, точность определения высоты подъема по­верхности моря — 10 см. В режиме определения характеристик ледя­ного покрова (Ice Mode) высотомер работает с более низким простран­ственным разрешением (около 7 км). Этот режим используется при топографии ледяных покровов, определении типа льда и выявлении границ ледяного покрова. Для периодических уточнений параметров орбиты, а также калибровки радиолокационного высотомера на ERS устанавливаются лазерные уголковые отражатели.

Комплекс приборов ATSR (Along-Track Scanning Radiometer and Microwave Sounder) включает радиометр оптического диапазона и двухканальное микроволновое устройство вертикального зондирова­ния. Радиометр предназначен для наблюдения поверхности моря и суши, измерения их температуры, температуры верхней облачности и обеспечивает прием излучения в спектральных каналах 0,65; 0,85; 1,27; 1,6; 3,7; 11 и 12 мкм с пространственным разрешением 1 км в надире. Микроволновое устройство зондирования на частоты 23,8 и 36,5 ГГц обеспечивает поступление информации дистанционного зон­дирования о содержании аэрозолей в земной атмосфере, концентрации водяного пара и облачных капель, а также о состоянии растительного покрова Земли. Точность определения вертикального профиля концен­трации водяного пара в пределах пятна размером 20-25 км составляет 10 %.

Спектрометр GOME (Global Ozone Monotoring Experiment) ис­пользуется для построения вертикальных профилей концентрации озона (О3,) и малых газовых компонентов (NO, NO2, BrO, H2O) в тро­посфере и стратосфере, измерения потоков солнечного излучения, от­ражаемого поверхностью Земли и рассеиваемого атмосферой. Прибор работает в ультрафиолетовом диапазоне в спектральных каналах 0,24­0,295; 0,29-0,405; 0,4-0,605 и 0,59-0,79 мкм. Каждый канал содержит решетку детекторов из 1024 фотодиодов, температура которых под­держивается в пределах 39-41°С термоэлектрическими охладителями.

Вертикальное разрешение при определении концентрации озона О3 составляет 5 км. Полоса обзора изменяется от 120 до 960 км, а про­странственное разрешение — от 40x40 до 40x320 км.

Аппаратура PRARE (Precise Range and Rate Equipment) обеспе­чивает определение параметров орбиты спутника путем одновремен­ной передачи двух радиосигналов с разной частотой на сеть специаль­ных наземных станций, измеренная разница времени прихода сигналов позволяет выполнить коррекцию относительной дисперсии, которая обусловлена влиянием ионосферы. Информация о дальности до спут­ника и его радиальной скорости передается обратно на борт спутника и накапливается в специальном бортовом запоминающем устройстве, а затем — в пункт приема информации при пролете над ним. Точность определения наклонной дальности до спутника составляет 4-8 см.

Информация с аппаратуры AMI, работающей в режиме по­строения радиолокационных изображений (AMI-SAR image mode), передается со скоростью 105 Мбит/с на частоте 8,14 ГГц только в ре­альном масштабе времени. Информация со всей зондирующей аппара­туры космического аппарата ERS, за исключением радиолокационной, объединяется в цифровой поток со скоростью около 1,1 Мбит/с и пе­редается на Землю на частоте 8,04 ГГц или записывается на бортовой магнитофон для последующего воспроизведения в зоне радиовидимо­сти станции приема информации со скоростью 15 Мбит/с.

Спутник «Океан-О» (Россия-Украина). Высота орбиты — 667 км, период обращения — 97,98 мин, угол наклонения орбиты — 98,03°. На спутнике установлены две некогерентные РЛС БО, антенны которых направлены соответственно влево и вправо от направления движения спутника. Полоса обзора каждой РЛС — 455 км, угол паде­ния излучаемых электромагнитных волн на подстилающую поверх­ность — 20,48°. Пространственное разрешение — в среднем 1,3 км поперек направления движения спутника и 2,5 км вдоль него.

Многоканальный сканирующий микроволновый радиометр «Дельта-2Д» имеет 4 канала со средней длиной волны 0,8 мкм (1-й канал), 1,35 см (2-й канал), 2,25 см (3-й канал) и 4,3 см (4-й канал). Полоса обзора составляет 1126 км, размеры элементов разрешения на подстилающей поверхности не более 17x22 км в 1-м канале, 28x37 км во 2-м, 49x65 км в 3-м и 91x120 км в 4-м.

Два микроволновых несканирующих радиометра на длины вол­нах 2,25 и 6 см направлены в надир, имеют полосу обзора около 130 км.

аналогичен сканеру МСУ-СК спутника «Ресурс-О». Многоканальное сканирующее устройство высокого разрешения МСУ-В с полосой об­зора 195 км имеет 8 спектральных каналов: 1-й— 0,48-0,52 мкм, 2-й — 0,54-0,61, 3-й — 0,63-0,73, 4-й — 0,78-0,92, 5-й — 0,915-0,997, 6-й — 1,47-1,62, 7-й — 2,060-2,385, 8-й — 10,6-12,0 мкм.

Пространственное разрешение в 1-5-м каналах -- 50 м, в 6-м — 100, в 7-м — 300, в 8-м — 250.

Многоканальное сканирующее устройство малого разрешения МСУ-М имеет полосу обзора 2000 км, пространственное разрешение — 1,5X1,7 км в центре строки и 1,8X1,7 км на краю строки. Поляриза­ционный спектрорадиометр «Трассер-О» в диапазоне длин волн 411­809 нм имеет пространственное разрешение 45 км. Для сбора инфор­мации с морских буев предназначена аппаратура сбора и передачи ин­формации «Кондор-2».

В настоящее время функционирует спутник СІЧ-1М (Россия — Украина) (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Полярно-орбитальный океанографический КА СІЧ-1М (совместный проект Россия-Украина)

Космический аппарат «Электро». Геостационарный метеороло­гический ИСЗ «Электро» (рис. 4.5) входит в систему «Планета-С», которая совместно с метеорологической системой на базе полярноор­битальных спутников серии «Метеор» образует Российскую нацио­нальную систему сбора гидрометеорологической информации. Запуск осуществлен 31 октября 1994 г. при помощи ракеты-носителя «Про­тон».

Геостационарный космический аппарат «Электро» в сочетании с техническими средствами наземного сегмента обеспечивает решение следующих основных задач:

- получение многоцелевых изображений в видимом и инфра­красном участках спектра с разрешением 1,5 и 8 км;

- сбор данных с платформ геофизического мониторинга окру­жающей среды;

- ретрансляция спутниковых метеоснимков, прошедших пред­варительную обработку в наземном центре;

- мониторинг околоземного космического пространства.

В состав бортовой аппаратуры ДЗЗ, установленной на аппарате, входят бортовой телевизионный комплекс и бортовой комплекс ра­диационно-магнитометрической системы. Планирование работы целе­вой аппаратуры ИСЗ «Электро» осуществляется в НПО «Планета».

Рис. 4.5. ИСЗ «Электро-Л»

Кроме России, США, Франции, Европейского космического агентства, спутники для дистанционных исследований Земли запуще­ны Японией, Индией, Китаем, Бразилией и некоторыми другими стра­нами.

4.2.