Калинин Н.А., Толмачёва Н.И. Космические методы исследований в метеорологии

Подождите немного. Документ загружается.

поверхности от другого. Поэтому локаторы типа SAR принимают из-

лучение, рассеянное под углами, отличными от «зеркальных», которое

несет существенно больше информации об особенностях поверхности

(на рис. 3.21 b изображен импульс, принимаемый локатором). Такие

локаторы называются локаторами бокового обзора.

Рис. 3.23. Гора Wrangell на

Аляске, 27 июля 1992 г.

Относительно высокое для прибора, работающего в сантимет-

ровом диапазоне, пространственное разрешение локатора обеспечива-

ется за счет синтезированной апертуры. Схема этого процесса поясня-

ется на рис. 3.22.

Импульсы локатора распространяются в некотором конусе, и

прибор принимает рассеянные сигналы со всей поверхности, которая

102

является основанием конуса. Например, сигнал, рассеянный от точки A

на рис. 3.22, начинает регистрироваться, когда спутник находится в

положении 1, а заканчивается, когда он оказывается в положении 2.

Все это время сигналы от точки A синтезируются по специальной про-

грамме и в результате такого накопления удается получить сигналы

приемлемой амплитуды от небольших участков подстилающей по-

верхности.

Локаторы с синтезированной апертурой используются для ре-

шения очень многих задач. В океанографии они используются для

изучения течений, фронтов и внутренних волн. Кроме того, они позво-

ляют наблюдать пятна нефти на поверхности океана, изучать ледовую

обстановку для облегчения проводки судов. Пример изображения, по-

лученного с помощью прибора ERS-SAR, представлен на рис. 3.23.

103

Глава 4

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ СПУТНИКИ ЗЕМЛИ

Метеорологический спутник — это космическая автоматическая

обсерватория, оснащенная сложным электротехническим, оптико-

механическим и радиоэлектронным оборудованием для измерения,

запоминания и передачи информации. Спутник, выведенный на около-

земную орбиту, представляет уникальную возможность обзора огром-

ных площадей земной поверхности в течение сравнительно короткого

промежутка времени. Только за один оборот вокруг Земли такой спут-

ник позволяет получать информацию об облачности с территории, со-

ставляющей в среднем около 8 % поверхности земного шара, а данные

о радиационных потоках — приблизительно с 20 % поверхности Зем-

ли. Особенность спутниковых наблюдений — это получение комплек-

са данных в вертикальной и горизонтальной плоскостях, необходимых

для анализа и прогноза погоды.

4.1. НАУЧНАЯ И СЛУЖЕБНАЯ АППАРАТУРА МСЗ

Разработаны и реализованы спутниковые наблюдения уходяще-

го излучения в широком диапазоне — от ультрафиолетового до мик-

роволнового спектра. Поскольку процессы взаимодействия излучения

системы Земля – атмосфера в различных диапазонах спектра довольно

разнообразны, эти наблюдения открывают большие возможности для

определения совокупности параметров физического состояния атмо-

сферы и подстилающей поверхности. Для того чтобы обеспечить по-

лучение и передачу гидрометеорологической информации всех видов,

на МСЗ устанавливается комплекс бортовой аппаратуры, имеющий

малые массогабаритные характеристики для всех составляющих его

систем, высокую стабильность и надежность работы, а также низкое

потребление электроэнергии. Комплекс условно делится на две груп-

пы: комплекс научной аппаратуры и комплекс служебной аппаратуры.

Комплекс научной аппаратуры. Этот комплекс предназначен

для получения информации о состоянии атмосферы и подстилающей

поверхности Земли. В соответствии с особенностями регистрируемой

информации научная аппаратура условно разделена на обзорную и

измерительную.

Обзорная аппаратура, работающая в основном в видимом и

инфракрасном диапазонах спектра излучения, предназначена для по-

лучения изображений облачности, ледяных, снежных полей и подсти-

лающей поверхности. В качестве такой аппаратуры используют каме-

104

ры и телевизионные системы, производящие съемку в соответствии с

одинаковыми геометрическими закономерностями, основанными на

центральной перспективе, а также сканеры, пассивно воспринимаю-

щие уходящее излучение от системы Земля – атмосфера.

Многозональная космическая фотосъемка на черно-белой плен-

ке через определенные светофильтры (например, желтый и оранже-

вый, поглощающие голубые и ультрафиолетовые лучи) или на цветной

пленке, сенсибилизированной к видимому и ближнему инфракрасному

излучению, обеспечивает наиболее высокое разрешение, для которого

требуется мелкозернистая пленка большого формата. Необходимость и

сложность доставки пленки на Землю делает метод неоперативным.

Телекамера (видекон) фокусирует изображение на плоский све-

точувствительный экран, на котором оно вычерчивается как некото-

рый рисунок электрических зарядов, а потом считывается по принципу

развертки. При этом экран как бы «разрушается» в единичных малых

элементах изображения (элизах). Яркость элизов преобразуется в со-

ответствующее электрическое напряжение, кодируемое по частоте и

амплитуде, и в конечном итоге превращается в передаваемый по радио

(или запоминаемый) сигнал.

Наиболее широкое использование в оперативной практике по-

лучили сканеры, позволяющие осуществлять съемку в диапазоне 0,3–

14 мкм. Сканер обеспечивает поэлементный просмотр излучающей

поверхности достаточно узким телесным углом поля зрения, сечение

которого поверхностью определяет элементарную площадку — разре-

шение аппаратуры. Просмотр полосы обзора некоторой ширины осу-

ществляется за счет перемещения (сканирования) элементарного поля

зрения в плоскости, перпендикулярной плоскости орбиты. Интеграль-

ный поток электромагнитного излучения захватывается оптической

системой сканера, разделяется (с помощью зеркал, призм, линз или

фильтров) на составные части и фиксируется на детекторах, которые

преобразуют попадающую на них энергию в электрический сигнал.

Радиолокационные станции бокового обзора, устанавливаемые

на МСЗ, в отличие от рассмотренной выше аппаратуры съемку ведут в

активном режиме. Антенна, расположенная вдоль продольной оси но-

сителя, посылает в перпендикулярном к полету направлении на изу-

чаемую поверхность высокочастотные импульсы в пределах диаграм-

мы излучения, имеющей форму узкого лепестка. Отраженные облу-

чаемой поверхностью импульсы воспринимаются той же антенной и

преобразуются в электрические сигналы, запоминаемые на борту или

передаваемые на Землю.

105

Таким образом, важнейшими характеристиками научной ап-

паратуры МСЗ являются разрешающая способность и ширина полосы

обзора. Работает эта аппаратура или в режиме непосредственной пере-

дачи получаемой информации потребителю (в реальном масштабе

времени), или в режиме запоминания информации на борту в специ-

альном запоминающем устройстве. Первый режим предназначен для

получения региональной информации, второй — для получения гло-

бальной информации. Научная информация обзорного характера

обычно представляется в виде космических изображений (снимков).

К измерительной относится аппаратура, предназначенная для

получения количественных характеристик или абсолютных величин

собственного излучения системы Земля — атмосфера. Одна и та же

научная система может быть как обзорной, так и измерительной. Ус-

ловия работы научной аппаратуры МСЗ постоянно контролируются

специальными телеметрическими устройствами. Данные телеметрии

на наземные пункты приема информации передаются по особому ка-

налу связи или вводятся в информацию, формируемую научной аппа-

ратурой.

Комплекс служебной аппаратуры. Этот комплекс предназна-

чен для поддержания нормального функционирования научной аппа-

ратуры и всего спутника в целом; в него входят несколько самостоя-

тельных технических систем.

Система стабилизации и ориентации. Под стабильностью

спутника понимается сохранение им заданного положения в космиче-

ском пространстве. В режиме стабилизированного полета для получе-

ния гидрометеорологической информации спутник должен быть все-

гда ориентирован таким образом, чтобы одна из его осей (ось Z) была

постоянно направлена к Земле по местной вертикали, вторая (ось X) —

по направлению вектора абсолютной скорости, а третья (ось Y) — пер-

пендикулярна плоскости орбиты. Точность ориентации достигает 3°.

Стабилизация и ориентация МСЗ в космическом пространстве под-

держиваются пассивными и активными методами.

Бортовая система управления — это совокупность взаимосвя-

занных устройств с информационным и математическим обеспече-

нием, решающих совместно с наземным комплексом управления или

автономно задачи управления движением спутника и функционирова-

нием его аппаратуры. Она обеспечивает прием, исполнение и контроль

выполнения команд управления, поддерживает заданные режимы ра-

боты всех устройств МСЗ, обеспечивает точную временную синхрони-

зацию их функционирования. Основу системы составляет бортовая

цифровая вычислительная машина или бортовое программно-времен-

106

ное устройство. Временная программа комплекса научной и служеб-

ной аппаратуры привязана к бортовому единому времени (БЕВ), метки

которого каждую орбиту делят на тысячу одинаковых частей (интер-

валов) и оцифровываются от 0 до 999. Маркеры (метки) БЕВ исполь-

зуются также для временной привязки спутниковой информации в

процессе ее обработки и интерпретации.

Радиотелеметрическая система (РТС) представляет собой

пространственно разнесенную (размещаемую на спутнике и на Земле)

многоканальную информационно-измерительную систему, передаю-

щую и принимающую научную и служебную информацию. Основны-

ми задачами системы являются: сбор измерительной (научной) и кон-

трольной информации от бортовых датчиков, преобразование ее в

электрические сигналы, передача со спутника по радиолинии, прием

на Земле, обработка и представление в форме, удобной для потребите-

ля. В состав бортовой аппаратуры РТС входит запоминающее устрой-

ство, предназначенное для накопления информации на участке полета,

где отсутствует связь между МСЗ и наземными станциями. Накоплен-

ные данные передаются после вхождения спутника в зону радиовиди-

мости по команде с Земли или по программе работы. Вычислительные

устройства, входящие в состав наземных станций, производят запись

передаваемой информации, предварительную ее обработку (в основ-

ном с целью сокращения избыточной информации) и регистрацию в

виде, удобном для последующего использования при решении различ-

ных задач.

Система электроснабжения представляет собой совокупность

оборудования, предназначенного для производства электрической

энергии, передачи ее к различным устройствам и распределения между

ними.

Система терморегулирования предназначена для поддержания

необходимого теплового режима МСЗ, находящегося на орбите. По-

стоянная температура и влажность в герметичных отсеках спутника

обеспечивают стабильную работу научной и вспомогательной аппара-

туры.

4.2. НАЗЕМНЫЙ КОМПЛЕКС ПРИЕМА, ОБРАБОТКИ

И РАСПРОСТРАНЕНИЯ СПУТНИКОВОЙ

ИНФОРМАЦИИ РОСГИДРОМЕТА

Первоочередной целью функционирования наземного комплек-

са приема, обработки и распространения спутниковой информации

(НКПОР) является обеспечение государственных органов управления,

107

организаций федеральных министерств и ведомств (Росгидромета,

МЧС) всей доступной информацией, полученной с помощью россий-

ских и зарубежных оперативных спутниковых систем, необходимой

для решения государственных задач (гидрометеорологическое обеспе-

чение, мониторинг чрезвычайных ситуаций природного и техногенно-

го характера, мониторинг состояния окружающей среды).

Основные функции НКПОР: планирование работы бортовых

измерительных комплексов (БИК), прием, обработка, архивация и рас-

пространение спутниковых данных.

В состав наземного комплекса приема, обработки, архивации и

распространения спутниковой информации входят НКПОР Росгидро-

мета (образующий основу государственного НКПОР России), а также

малые станции приема спутниковых данных (ведомственные, террито-

риальные и коммерческие).

Наиболее развитой структурой НКПОР в настоящее время явля-

ется НКПОР Росгидромета, в создании и развитии которого принима-

ли участие Росгидромет и Росавиакосмос.

Наземный комплекс Росгидромета осуществляет прием, обра-

ботку и распространение данных, получаемых со всех российских

космических аппаратов (КА) типа «Ресурс-01», «Океан-01», «Океан-

О», «Метеор», «Электро» и ряда зарубежных КА типа NOAA, Ме-

теоsат, GMS. Имеется техническая возможность приема данных фран-

цузского КА SPOT.

Основу НКПОР Росгидромета составляет система трех крупных

центров приема — научно-исследовательский центр космической гид-

рометеорологии (НИЦ) «Планета» (с пунктами приема в городах Мо-

скве, Обнинске и Долгопрудном), Западно-Сибирский (ЗС) региональ-

ный центр приема и обработки данных (РЦПОД) (г. Новосибирск) и

Дальневосточный (ДВ) РЦПОД (г. Хабаровск), обеспечивающих полу-

чение спутниковой информации по всей территории России. В состав

НКПОР Росгидромета входит также сеть автономных пунктов приема

информации — АППИ (60 пунктов приема, функционирующих под

научно-методическим руководством и оперативным управлением НИЦ

«Планета»), которые в режиме непосредственной передачи с КА «Ме-

теор», NOAA, «Океан», «Ресурс» могут принимать данные понижен-

ного разрешения в диапазоне 137 МГц. Такие АППИ установлены на

всех крупных аэродромах, в областных бюро погоды и в подразделе-

ниях Минобороны, что позволяет оперативно получать данные ДЗЗ и

использовать в синоптической оценке метеообстановки.

Важным фактором, определяющим возможность функциониро-

вания и развития центров и пунктов приема сети НКПОР, является

108

проблема помеховой обстановки в районах расположения станций

приема. Радиотехнические комплексы систем сотовой связи, аэро-

дромных служб и другие создают существенные проблемы для работы

ряда пунктов приема спутниковой информации (прежде всего для ма-

лых станций). Крупные центры приема Росгидромета регулярно вы-

полняют работы по защите радиочастот, что позволяет вести уверен-

ный прием спутниковых данных.

Возможности центров приема Росгидромета по приему данных

оперативных спутниковых систем ДЗ существенно отличаются и опре-

деляются степенью технической оснащенности. Наилучшей техниче-

ской оснащенностью обладают подразделения НИЦ «Планета». В це-

лом комплексы технических средств НИЦ «Планета» позволяют осу-

ществлять прием данных практически со всех российских и ряда зару-

бежных оперативных КА ДЗЗ.

Рис. 4.1. Космический снимок с геостационарного спутника METEOSAT

(северная зона видимости). ИК диапазон 10,5-12,5 мкм. 9.05.2000,

3 ч 00 мин

НИЦ «Планета» является единственной организацией в России,

практически выполняющей все основные функции НКПОР — плани-

рование, прием, обработку, архивацию и доведение до потребителей

информации российских и ряда зарубежных оперативных спутнико-

вых систем:

– планирование работы бортовых измерительных комплексов

спутниковых систем «Метеор», «Океан-01»;

109

– прием, обработка и архивация данных российских оператив-

ных спутниковых систем «Метеор», «Океан-01», «Океан-О», «Ресурс-

01», «Электро», ОКС «Мир-Природа», а также зарубежных КА серии

NOAA, METEOSAT, SPOT;

– сбор, обработка и архивация данных КА «Метеор», NOAA,

GMS, принятых в ЗС РЦПОД (г. Новосибирск) и ДВ РЦПОД (г. Хаба-

ровск);

– научно-методическое руководство ЗС и ДВ РЦПОДами, а так-

же сетью АППИ;

– доведение спутниковой информации до потребителей (органи-

заций Росгидромета, МЧС).

В части планирования работы БИК, НИЦ «Планета» взаимодей-

ствует (и имеет разветвленную сеть каналов связи) со всеми организа-

циями, участвующими в управлении космическими системами ДЗЗ.

Рис. 4.2. Монтаж космических изображений Евразии с ИСЗ NOAA-14

(AVHRR-2, 10,3-11,3 мкм), 20.04.2001 (6 ч 04 мин, 7 ч 44 мин, 9 ч 29 мин,

11 ч 10 мин, 12 ч 53 мин, 14 ч 36 мин). Полярная стереографическая

проекция, референц элепсоид Красовского

Центр приема в г. Обнинске является в настоящее время уни-

кальным и в отличие от всех других существующих центров приема

позволяет принимать полные потоки данных (61,44 Мбит/с) КА «Ре-

сурс-01» № 4, КА «Океан-О», модуля «Мир-Природа», а также инфор-

110

мацию КА SPOT (50 Мбит/с). Кроме того, данные КА «Ресурс-01» №3

и «Океан-01», передаваемые в дециметровом диапазоне (466,5 МГц),

также могут приниматься НИЦ «Планета» и двумя другими крупными

центрами приема Росгидромета — в Новосибирске и Хабаровске.

Станции приема расположенные в г. Москве, обеспечивают не-

посредственный прием данных КА NOAA (режим HRPT), «Электро»,

METEOSAT-7 и получение данных КА METEOSAT-5, GOES-E,

GOES-W, GMS в режиме ретрансляции через КА METEOSAT-7. Стан-

ция приема в г. Долгопрудном позволяет осуществлять прием данных

КА «Океан-О».

Оперативные подразделения НИЦ «Планета» (г. Москва) осуще-

ствляют предварительную обработку и архивацию (в рамках ведения

Госфонда спутниковой информации) всей принимаемой информации

метеорологических, океанографических и природно-ресурсных КА

(ежесуточный объем информации составляет 20–40 Гбайт).

На спутниковом сервере НИЦ «Планета» в среде INTERNET

действует совместный с ЗС РЦПОД (г. Новосибирск) оперативный

каталог спутниковой информации, позволяющий осуществлять поиск

необходимой информации с возможностью просмотра сжатых изобра-

жений.

Постоянные пользователи (оперативно-производственные под-

разделения Росгидромета) подключены к локальной сети НИЦ «Пла-

нета». Доведение информации до потребителей осуществляется по

различным каналам связи (выделенные линии, оптоволоконные кана-

лы), с использованием технологий INTERNET по автоматизированной

системе передачи данных «Погода».

На рис. 4.1–4.5 представлены примеры некоторых видов опера-

тивной спутниковой информационной продукции.

4.2.1. Особенности приема и обработки спутниковой информации

программным комплексом

Аппаратно-программный комплекс (АПК) «Лиана». Станция

«Лиана» предназначена для приема изображений Земли, передаваемых

с полярно-орбитальных спутников серии NOAA в формате APT

(Automatic Picture Transmission), в диапазоне 137 МГц. С некоторыми

ограничениями возможен прием и с других ИСЗ, имеющих подобные

форматы сброса (например, Метеор-3, Ресурс-01).

Основную часть принимаемой информации составляют данные

двух спектральных каналов (ближнего ИК и теплового ИК) скани-

рующего радиометра AVHRR. Изображения имеют пространственное

111