Текст книги "Космические методы в океанологии"
Автор книги: Анатолий Большаков
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 5 страниц)
ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИЕ ИСЗ ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ
Как уже отмечалось, первые специализированные чисто океанологические. ИСЗ были выведены на орбиты в СССР и США в конце 70-х − начале 80-х годов. Эти ИСЗ были снабжены различными приборами дистанционного зондирования, рассмотренными в предыдущих разделах, но их комплексирование, выбор рабочих характеристик, распределение по степени приоритета и важности решаемых задач определялись в соответствии с конкретными программами полетов каждого отдельного ИСЗ и задачами экспериментов в целом.
В качестве типичного примера технического оснащения океанологического ИСЗ первого поколения рассмотрим американский ИСЗ «Сисат», название которого является аббревиатурой английских слов «морской спутник». Разработка проекта ИСЗ началась в 1974 г. под эгидой Управления прикладных программ НАСА. К моменту запуска ИСЗ стоимость его разработки достигла 95 млн. долл., что намного больше стоимости разработки многих других экспериментальных ИСЗ. Объясняется это уникальностью установленной на борту ИСЗ исследовательской аппаратуры, что хорошо характеризует сложность стоявших перед конструкторами проблем.
В разработке проекта ИСЗ «Сисат» и программы его полета приняло участие более 25 крупных правительственных организаций и частных фирм, тесно связанных с программами исследования Мирового океана. ИСЗ разработан на конструктивной базе последней ступени ракеты-носителя «Аджена» с использованием ее энергосистемы, системы управления и телеметрии. Масса ИСЗ после его выведения на орбиту составила около 2300 кг, а размах панелей солнечных батарей и антенн достигал 13 м. Ориентация и стабилизация ИСЗ в орбитальной системе координат осуществлялись с точностью до 0,5°. Мощность системы энергопитания научной аппаратуры около 2 кВт.
Общий вид ИСЗ «Сисат» с развернутыми антеннами и панелями солнечных батарей приведен на рис. 9.
На борту ИСЗ «Сисат» был установлен комплект из пяти научных приборов, которые по важности решаемых задач были распределены следующим образом:
1) радиовысотомер,
2) скаттерометр,
3) радиолокатор бокового обзора с синтезированной апертурой,
4) сканирующий радиометр видимого и теплового инфракрасного диапазонов,
5) многоканальный сканирующий микроволновый радиометр.
В дополнение к этому научному оборудованию на борту ИСЗ было установлено три различных системы для точных траекторных измерений параметров орбиты.
Направленный вертикально вниз (в надир), высотомер обладал полем зрения 1,6°, что соответствовало (в зависимости от силы волнения моря в подспутниковой точке) исследуемому пятну на поверхности Мирового океана диаметром от 1,5 до 12 км. Прибор работал на частоте 13,5 ГГц и излучал зондирующие импульсы шириной 3 нс, что позволяло измерять высоту ИСЗ над поверхностью Мирового океана со среднеквадратичной ошибкой 10 см при волнах на поверхности океана высотой не более 20 м. С помощью этого прибора можно было также определять высоту волн в подспутниковой точке с точностью до 0,5 м (в диапазоне от 0 до 20 м).
Рис 9. Общий вид океанологического ИСЗ «Сисат»: 1 − панели солнечных батарей, 2 − антенны скаттерометра, 3 − антенна РЛБО, 4 − многоканальный СВЧ-радиометр, 5 − лазерный рефлектор, 6 − альтиметр, 7 − телеметрическая антенна РЛБО, 8 − радиометр инфракрасного и видимого диапазонов, 9 − антенна телеметрической и командной радиолиний, 10 − антенна системы определения параметров орбиты, 11 − дублирующая антенна телеметрической системы
Скаттерометр ИСЗ «Сисат» работал на частоте 14,6 ГГц. Диаграмма направленности каждой из четырех антенн была «ножевой», т. е. узкой в горизонтальной плоскости и широкой в вертикальной плоскости, что позволяло с помощью этого прибора облучать две полосы на поверхности Мирового океана шириной по 500 − 700 км на расстоянии 200 км от трассы полета ИСЗ. Пространственное разрешение информации скаттерометра «Сисата» составляло около 50 км. Регистрация и обработка доплеровского смещения отраженного сигнала давала возможность определять скорость ветра у поверхности океана с точностью до 2 м/с (в диапазоне от 4 до 26 м/с). Оценка направления скорости ветра была возможна с точностью до 20°.
Предназначенный для получения радиоизображений поверхности океана РЛБО с синтезированной апертурой работал на частоте 1,275 ГГц. С его помощью просматривалась полоса шириной 100 км под углом 20° относительно вертикали.
Высокое пространственное разрешение информации, получаемой с помощью этого прибора (до 25 м), определило высокую скорость поступления информации и ее большие объемы. После предварительных проработок различных схем регистрации и передачи данных было принято решение о работе этого радиолокатора только в режиме непосредственной передачи − информации, т. е. без промежуточной записи на бортовые магнитофоны. Это, естественно, привело к существенному ограничению районов проведения исследований с помощью РЛБО.
Антенна РЛБО ИСЗ «Сисат» имела коэффициент усиления 34 дБ и формировала веерообразный луч с угловыми размерами 1 × 6°, отклоненный на 20° относительно вертикального направления. При полете ИСЗ этим прибором облучалась полоса на поверхности Мирового океана шириной 100 км, отстоящая от трассы полета на 250 км. Прием излучения, отраженного морской поверхностью, осуществлялся на ту же антенну. После усиления преобразованные сигналы передавались в телеметрическую систему и без задержки транслировались на наземную приемную станцию со скоростью 10 мбит/с. В силу этих обстоятельств максимальная длина полосы непрерывного исследования океана с использованием РЛБО у ИСЗ «Сисат» не могла превышать 4 тыс. км.
Радиометр видимого и инфракрасного диапазонов (два канала с интервалами длин волн 0,45 − 0,94 и 10,5 − 12,5 мкм) являлся обычным сканирующим радиометром, прототипы которых неоднократно устанавливались на метеорологических ИСЗ. С его помощью получалось изображение подстилающей поверхности в видимом и тепловом инфракрасном диапазонах спектра, что позволяло решать задачи распознавания облачности вдоль траектории полета ИСЗ и определять температуру облаков и поверхности Мирового океана.
Разрешающая способность этого прибора составляла 2 км для видимого диапазона и 4 км для инфракрасного. Радиометром просматривалась полоса поверхности Мирового океана шириной 1100 км. По предварительным оценкам, точность определения температуры поверхностного слоя океана с использованием данных инфракрасного канала этого радиометра была выше 1 К.
Многоканальный сканирующий микроволновый радиометр сантиметрового диапазона позволял измерять тепловое излучение системы океан − атмосфера на длинах волн 3,8; 2,8; 1,65; 1,43 и 0,8 см при горизонтальной и вертикальной поляризациях излучения. Аналогичные приборы были установлены в свое время на экспериментальных метеорологических ИСЗ серии «Нимбус», где использовались для определения параметров атмосферы. На ИСЗ «Сисат» в состав этого прибора дополнительно был включен длинноволновый канал (длина волны 3,8 см) для микроволновых измерений температуры поверхности океана.
Пространственное разрешение информации, получаемой с помощью этого прибора, зависело от частоты, на которой велась работа, и изменялось от 100 км (для длинных волн) до 20 км (для самых коротких). Антенна радиометра могла сканировать под углом около 40° в плоскости орбиты и в поперечном направлении, ширина полосы обзора составляла около 600 км. С помощью» этого радиометра определялась температура поверхности океана и величина скорости ветра у его поверхности, а также влагосодержание и содержание водяного пара вдоль трассы полета ИСЗ. Абсолютная погрешность измерений температуры равнялась 2 К, точность определения величины скорости ветра в приводном слое воздуха − 2 м/с (при изменении ветра от слабого до штормового).
ИСЗ «Сисат» был выведен 28 июня 1978 г. на круговую орбиту высотой около 800 км с наклонением 108°. Орбита ИСЗ не была солнечно-синхронной, поскольку по программе полета предусматривалось получение информации о Мировом океане при различных условиях освещения его Солнцем. Суточное смещение трассы полета (18,5 км) выбиралось из условия обеспечения сплошного «покрытия» поверхности Мирового океана радиовысотомером, имеющим сравнительно узкое поле зрения. Повторение условий наблюдения Мирового океана должно было наступать через каждые 152 сут.
Аппаратура ИСЗ, имеющая широкую полосу захвата на поверхности океана (скаттерометр и сканирующие радиометры), обеспечивала обзор 95 % поверхности Мирового океана каждые 36 ч, т. е. была получена довольно высокая периодичность наблюдений и обновления информации. Расчетный срок работы всех служебных систем и научной аппаратуры составлял более 1 года, однако 10 октября 1978 г. вся научная аппаратура ИСЗ вышла из строя в результате короткого замыкания в системе энергопитания.
За 100 сут активной работы ИСЗ «Сисат» совершил 1502 оборота вокруг Земли. За этот период было выполнено две серии комплексных подспутниковых экспериментов в восточной части Атлантического океана и в Аляскинском заливе. Всего ИСЗ совершил около 260 пролетов над районами контрольных подспутниковых исследовательских полигонов. К средствам непосредственных контактных измерений на этих полигонах относились морские буи, НИС «Океанографер», «Квадра» и «Ванкувер». В дополнение к стандартным метеорологическим наблюдениям на всех НИС выполнялась специальная программа измерений характеристик ветра и волнения океана в моменты пролета ИСЗ.
В подспутниковых наблюдениях принимали также участие четыре самолета-лаборатории, которые измеряли вдоль трассы полета ИСЗ скорость ветра на различных высотах, температуру воздуха и поверхности океана, параметры его волнения. При обработке информации с ИСЗ «Сисат» использовались данные наблюдений за Мировым океаном, полученные и на обычных транспортных судах морского флота, а также информация с геостационарных и других ИСЗ.
Учитывая высокую сложность и стоимость аппаратуры ИСЗ «Сисат», выдвигается проект возвращения ИСЗ с орбиты на Землю для ремонта. В настоящее время в США ведутся работы по созданию нового океанологического спутника − ИСЗ «Сисат-2». Этот ИСЗ, (Уснащенный примерно таким же комплексом исследовательской аппаратуры, что и его предшественник, предполагается вывести на орбиту в конце 80-х годов.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИСЗ ДЛЯ СВЯЗИ И НАВИГАЦИИ НА МОРЕ
Одним из основных прямых контактных методов получения информации о Мировом океане, особенно при длительных измерениях, с давних пор в океанологии считался метод сбора информации с применением автономных океанологических буев. Для этого с борта НИС в интересующем ученых районе Мирового океана устанавливались на якорях или пускались в свободный дрейф специальные океанологические буи с размещенной на них аппаратурой для непосредственных контактных измерений. Полученная при работе буя информация передавалась на лежащее поблизости в дрейфе НИС или записывалась на автономные буйковые самописцы.
Схема работы с использованием буев довольно проста и эффективна, но имеет некоторые недостатки. Прежде всего при такой организации работы необходимо держать НИС вблизи установленного буя. Это не всегда желательно, а иногда и искажает сигналы датчиков, приводит к потерям времени и средств. Передать же информацию непосредственно на берег, нередко на расстояния несколько тысяч километров, сложно и дорого, поскольку в этом случае на каждом буе необходимо установить мощную автономную радиостанцию.
Очевидно, что задачу можно гораздо проще решить, используя какой-либо промежуточный ретранслятор, и лучше всего, если такой ретранслятор установить на ИСЗ. Тогда на буе можно разместить простой малогабаритный и надежный УКВ-передатчик с антенной, направленной вверх. Океанологические датчики буя будут периодически опрашиваться с помощью специального коммутатора и полученные сигналы записываться на буферном самописце.
При пролете ИСЗ над буем этот передатчик включается и передает накопленную информацию на спутник, где она сначала записывается на бортовой магнитофон, а затем при пролете ИСЗ над наземным пунктом связи «сбрасывается» вниз. Дальнейшее ее распределение между потребителями осуществляется уже по обычным наземным каналам связи.
Орбиты ИСЗ-ретрансляторов могут выбираться таким образом, что сеансы связи буев с ИСЗ и передача информации с буев будет осуществляться не реже одного раза в сутки. А в принципе при выборе достаточно высоких орбит ИСЗ и оснащении системы сбора данных достаточным количеством спутников можно реализовывать и более частую и даже непрерывную передачу океанологической информации с буев.
Такие спутниковые системы сбора и передачи информации (СССПИ) различного типа были разработаны в СССР, ГДР, США, Франции и других странах и прошли успешные испытания на ряде ИСЗ. В частности, аппаратура для отработки СССПИ, разработанная специалистами социалистических стран, устанавливалась на ИСЗ «Интеркосмос-20» и «Интеркосмос-21». На каждом буе в этой системе можно было установить 31 датчик, период опроса которых варьировался от 30 до 60 мин.
Во время сеанса связи ИСЗ с буем может определяться взаимное расстояние между ИСЗ и буем, чтобы по этим данным рассчитать положение буя в земной системе координат. Такие автоматические системы определения координат буев открывают широкие перспективы для использования свободно дрейфующих буев, для слежения за их перемещениями, облегчают поиск буев, их обслуживание и т. д. Точность определения координат буев при этом достигает 1 − 3 км, что вполне достаточно для решения многих практических задач.
В качестве примера технических характеристик современных СССПИ приведем основные данные франко-американской системы «Аргос», которая функционирует с 1978 г.
Район работы системы − весь земной шар
Типы ИСЗ-ретрансляторов − метеорологические ИСЗ «Тирос-Н»
Высота орбит ИСЗ-ретрансляторов − 830 км
Типы орбит − полярные или солнечно-синхронные
Максимальное количество обслуживаемых системой буев − 16 000
Средняя частота опроса буев с ИСЗ − 3,5 ч
Точность определения координат буев − 3 км
Количество измерительных каналов на каждом буе − 32
Период опроса датчиков буя − 40 − 200 с
Рабочая частота передатчика буя − 401 МГц
Вес комплекта служебной аппаратуры для буя − 1,5 кг
Энергопотребление служебной аппаратуры − не более 200 мВт
Время предварительной обработки информации от момента ее передачи с ИСЗ до момента передачи потребителю − не более 6 ч
Стоимость одного комплекта аппаратуры для буя − не более 10 тыс. фран.
Широкое применение находит сейчас и использование ИСЗ для навигации судов промыслового, транспортного и научного флота. Практически на всех крупных НИС сейчас установлены спутниковые навигационные системы и объясняется это рядом принципиальных достоинств спутниковых навигационных систем. Последние могут работать при любых метеоусловиях, в дождь и туман, а точность их работы значительно выше, чем у традиционных оптических и радиодальномерных систем. Судовое оборудование для спутниковых систем в современном исполнении имеет небольшие габариты и массу.
Идея использовать ИСЗ для навигации судов довольно проста. ИСЗ движется по орбите, параметры которой можно измерить и спрогнозировать довольно точно − с точностью до нескольких метров. Если в какой-то момент времени измерить расстояние от судна до ИСЗ или скорость изменения этого расстояния, то затем несложно рассчитать координаты судна в момент связи. Здесь используется та же идея, что и при определении координат буев в СССПИ. В спутниковой навигационной системе одновременно может использоваться несколько ИСЗ, что позволяет проводить навигационные измерения через периоды менее 1 ч.
По такому принципу построена, например, американская спутниковая система навигации «Транзит». Коммерческое использование системы началось в 1967 г., а сейчас этой системой пользуются десятки тысяч судов, находящихся в различных точках Мирового океана. В системе «Транзит» используется шесть ИСЗ, обращающихся вокруг Земли по полярным орбитам высотой 1075 км. Время наблюдения каждого ИСЗ потребителем в сеансе определения координат составляет 10 − 15 мин, я за это время ИСЗ пролетает несколько тысяч километров.
Использование полярных орбит для навигационных ИСЗ позволяет работать с системой в любом районе Мирового океана. В этой системе перерывы в навигационных наблюдениях максимальны на экваторе и составляют 80 мин. Среднеквадратичная точность определения координат судов с использованием системы «Транзит» составляет около 100 м.
Это уже достигнутый уровень. Разрабатываемая сейчас перспективная спутниковая навигационная система «Навстар» должна обеспечивать точность определения положения судов около 5 м. В состав этой системы войдут 24 ИСЗ, круговые орбиты которых будут иметь высоту около 20 тыс. км и наклонение 63°. Такое расположение ИСЗ позволит обеспечить радиовидимость из любой точки на поверхности Земли в любой момент времени не менее шести ИСЗ системы, что необходимо для непрерывных определений навигационных параметров в реальном масштабе времени.
Судовое оборудование спутниковых навигационных систем в современном исполнении имеет малые габариты, массу и потребление энергии. Так, аппаратура, разработанная для установки на малых судах, весит всего несколько килограммов и потребляет не более, чем обычная осветительная лампочка.
Конечно, использование ИСЗ для целей навигации собственно не приносит ученым новых сведений о Мировом океане, но тем не менее позволяет более эффективно решать многие традиционные задачи океанологии. Например, с использованием спутниковых навигационных систем стал возможен точный выход НИС в любую точку Мирового океана. На поиск оставленного ранее буя или донной станции в этом случае не расходуется драгоценное экспедиционное время. При проведении исследований с борта НИС, лежащего в дрейфе, можно точно определять параметры этого дрейфа и учитывать их при обработке информации.
Одним из самых последних примеров использования ИСЗ для решения «морских» задач является их применение для связи с судами. Обычные коротковолновые и низкоинформационные системы морской связи уже не могут в ряде случаев удовлетворить ученых, которым часто необходимо передавать в береговые центры (или из них на НИС) большие потоки информации, например для обработки ее на ЭВМ. Обычные УКВ-системы связи в этом случае помочь не могут, так как из-за кривизны земного шара имеют ограниченный радиус действия.
Для успешного решения задачи, как и во многих других подобных случаях, необходим промежуточный ретранслятор, и таким ретранслятором опять же может быть ИСЗ. На суше спутниковые системы связи (ССС) работают уже с начала 60-х годов. Но в том виде, в котором они были разработаны для передачи информации с одного континента на другой, эти системы не подходили для использования на море из-за больших габаритов антенн и большой сложности связной аппаратуры.
В настоящее время связная аппаратура достигла такой степени миниатюризации, что ее можно устанавливать практически на любых судах. В одной из моделей морской ССС (советской системе «Волна-С») антенна судовой приемопередающей станции имеет диаметр 1,5 м и размещается на гиростабилизированной платформе. По командам специального вычислительного устройства она наводится в расчетную точку небесной сферы (где находится связной ИСЗ) с точностью около 1° при любой качке судна.
В морских ССС используются, как правило, ИСЗ-ретрансляторы на стационарных орбитах, что значительно облегчает наведение судовых антенн и позволяет иметь в системе небольшое число ИСЗ. Так, в американскую систему «Марисат» входят только три геостационарных ИСЗ − по одному над Атлантическим (точка стояния 15° з. д.), Индийским (73° в. д.) и Тихим (176,5° в. д.) океанами.
В сентябре 1976 г. на сессии Межправительственной морской консультативной организации (ММКО) было подписано соглашение о создании первой международной системы связи и навигации для судов морского флота − системы «Инмарсат». В создании и финансировании этой системы принимает участие несколько десятков государств, в том числе и СССР. Развертывание системы будет происходить в 1982 − 1985 гг. В системе «Инмарсат» будут использоваться ретрансляторы, установленные в качестве полезной нагрузки на связных ИСЗ «Интелсат-5», «Марекс» и «Горизонт».
Наконец, в заключение этого раздела можно отметить перспективу создания спутниковой системы обнаружения судов, терпящих бедствие на море. Благородная задача охраны жизни людей, работающих в море, и их спасения также будет решаться с использованием ИСЗ.
Советский Союз участвует в настоящее время в международном проекте «Коспас − Сарсат» по созданию такой системы. В рамках этого проекта на судах и самолетах будут установлены специальные передатчики, автоматически включающиеся в момент аварии. С помощью специальных ИСЗ будет осуществляться прием сигналов этих передатчиков, определение их координат и ретрансляция аварийной информации в береговые центры, два из которых создаются на территории СССР. Начало экспериментальной эксплуатации системы «Коспас − Сарсат» намечено на 1982 г.
В настоящее время, несмотря на полученные отдельные интересные результаты, вклад космических методов в общую программу исследования Мирового океана пока еще совершенно недостаточен. Это связано прежде всего с несовершенством аппаратуры дистанционного зондирования и методов обработки поступающей из космоса информации, и в этом направлении предстоит еще много работы. Но тем не менее уже и сейчас имеется ряд примеров высокой эффективности космических методов не только для исследования Мирового океана, но и для решения важных народнохозяйственных задач.
Космическая фотоинформация, в том числе фотоинформация о Мировом океане, нашла применение сейчас во многих организациях и дает экономический эффект, исчисляющийся сотнями миллионов рублей в год.
Таким образом, космические методы исследования Мирового океана убедительно продемонстрировали свою полезность и перспективность, но это совсем не значит, что они смогут в близком или отдаленном будущем полностью заменить традиционные судовые измерения. Будущее, очевидно, за разумным объединением этих различных методов океанологических исследований, и космические методы в комплексной перспективной системе исследования Мирового океана займут достойное место.
Во всяком случае, первые опыты по исследованию Мирового океана из космоса показали, что в ближайшие годы можно ожидать новых крупных успехов в этой новой области науки, новых открытий.
