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

Подождите немного. Документ загружается.

разрешение 3,3 км в полосе обзора около 3000 км и обычно использу-

ются в метеорологических целях. Станция получает изображение ок-

ружающей ее территории 8–12 раз в сутки. Объем информации, полу-

чаемой за один сеанс связи, т.е. пока спутник проходит через зону ви-

димости станции, может составлять 3–3,5 МБ. В состав станции входят

антенна, малошумящий ВЧ усилитель (МШУ), кабель снижения, де-

модулятор сигнала, интерфейс связи с компьютером, персональный

компьютер и программное обеспечение. Антенна станции «Лиана» —

спиральная, ненаправленная, не требует управления. Она сравнительно

легка и компактна и может быть установлена на крыше практически

любого здания. Размер антенны в рабочем состоянии – 150×100×100

Рис. 4.3. Глобальная карта облачности (северная зона видимости).

6.03.2001 г., ИК диапазон 10,5–12,5 мкм

(полярная стереографическая проекция)

112

Рис. 4.4. Геостационарный спутник METEOSAT-7. 15.11.2000 г.,

04 ч 00 мин СГВ. Изображение земли в спектральном канале

поглощения водяного пара (5,7–7,1 мкм)

Рис. 4.5. Геостационарный спутник GSM. 07.07.2000 г., 03 ч 00 мин СГВ.

ИК диапазон 10,5–12,5 мкм

113

см, вес –– не более 12 кг. Максимальная длина кабеля — до 50 м (на

это расстояние антенна может быть отнесена от ПК).

МШУ устанавли-

вается на основании антенны. Шумовая температура —250 К, коэф-

фициент усиления — не менее 36 дБ, полоса пропускания — 136–138

МГц.

Демодулятор и интерфейс конструктивно выполнены на одной

плате, устанавливаемой в слот расширения ПК на шине ISA.

Компью-

тер — обычный ПК с процессором Intel 486 или Pentium.

Программное обеспечение станции состоит из двух приложений

Windows: SL Receiver и ScanViewer.

Рис. 4.6. Визуализация изображения в ScanViewer

Основные функции приложения управления станцией SL

Receiver:

– расчет расписаний приема (т.е. прохождения спутников через

зону видимости станции) по орбитальным элементам спутников в

стандартных форматах TLE и TBUS;

– автоматическая активизация станции по расписанию;

– запись принимаемых данных на диск ПЭВМ;

– визуализация принимаемых изображений в реальном времени.

114

Основные функции приложения просмотра и предварительной

обработки данных ScanViewer

– визуализация изображений (рис. 4.6) — произвольного прямо-

угольного фрагмента в произвольном масштабе, в сером или псевдо-

цветном представлении;

– географическая привязка изображений с наложением карты и

возможностью коррекции привязки по опорным точкам (рис. 4.7);

– фрагментация изображений;

– экспорт изображений в обменные графические форматы и вы-

вод на печать.

Станция «Лиана» используется в региональных, областных и

авиационных гидрометеорологических центрах. Сегодня в оператив-

ной эксплуатации находится более 80 станций «Лиана».

Аппаратно-программный комплекс «СканЭкс». Станция

«СканЭкс» предназначена для приема и записи информации, переда-

ваемой с полярно-орбитальных спутников серии NOAA в формате

HRPT (High Resolution Picture Transmission) в диапазоне 1,7 ГГц.

Основную часть принимаемого потока составляют данные ска-

нирующего радиометра AVHRR, который формирует изображения

подстилающей поверхности в 5 спектральных диапазонах (от видимо-

го до теплового инфракрасного), в полосе обзора шириной 3000 км, с

пространственным разрешением в середине полосы 1,1 км.

Станция получает изображение окружающей ее территории 8–

12 раз в сутки. Объем информации, получаемой за один сеанс связи,

т.е. пока спутник проходит через зону видимости станции, может со-

ставлять до 80 МБ.

В состав станции входят:

– антенная система,

– лабораторный настольный блок,

– интерфейс связи с компьютером,

– персональный компьютер,

– программное обеспечение.

Антенная система станции –– зеркальная параболическая на ан-

тенно-поворотном устройстве (АПУ). Диаметр штатной антенны — 1,2

м, общий вес антенной системы — не более 50 кг. На антенне установ-

лен облучатель с малошумящим усилителем (МШУ) и преобразовате-

лем частоты. Прием информации осуществляется бесплатно по кон-

цепции «открытое небо» Всемирной метеорологической организации.

Полярно-орбитальные искусственные спутники Земли серии

NOAA (США) выводятся на солнечно-синхронные орбиты, т.е. каж-

дые сутки спутник проходит над любой территорией примерно в одно

115

и то же местное время. Высота орбиты порядка 830 или 870 км. Орби-

ты проходят вблизи полюсов Земли, и с учетом широкой полосы обзо-

ра (3000 км) это гарантирует съемку любого участка поверхности не

менее 6 раз в сутки с каждого спутника. В настоящее время функцио-

нируют NOAA-12, 14, 15, 16.

Рис. 4.7. Географическая привязка изображений

АПК «СканЭкс» принимает информацию ИСЗ в цифровом фор-

мате HRPT в диапазоне 1670-1710 МГц с разрешением 1,1 км. Для

сравнения: станция «Лиана» принимает информацию ИСЗ в аналого-

вом формате APT в диапазоне 137 МГц с разрешением порядка 3 км.

Съемка вдоль подспутниковой трассы и передача информации ведется

непрерывно. Для приема не требуется лицензирования, если информа-

ция не используется в коммерческих целях. Комплекс «СканЭкс» ра-

ботает на базе обычного IBM совместимого персонального компьюте-

ра и полностью управляется программно. Участие оператора требуется

только для коррекции таймера ПЭВМ, контроля свободного простран-

ства диска, замены орбитальных данных и расчета расписания.

116

В состав персональной станции приема входит аппаратное и

программное обеспечение. Аппаратная часть состоит из антенной сис-

темы и блока преобразования информации. Программное обеспечение

включает следующие приложения:

1) прием: обеспечивает управление комплексом при приеме и

тестировании, расчет расписания прохождения спутников в заданном

интервале времени, автоматический прием данных по расписанию,

расчет траектории спутника для управления антенной, индикацию со-

стояния антенны и потока данных в процессе приема, формирование

файла принимаемых данных и запись его па жесткий диск, формиро-

вание растрового изображения одного из спектральных каналов и ото-

бражения его на дисплее в темпе приема;

Рис. 4.8. Просмотр изображения в АПК

2) просмотр (рис. 4.8): обеспечивает просмотр изображений в

произвольном черно-белом, псевдоцветном или синтезиропанном

цветном представлении, целочисленное масштабирование на стадиях

загрузки отображения, плавное масштабирование при отображении,

коррекцию яркости и контрастности, географическую привязку по ор-

117

битальным элементам, расчет гистограмм и поэлементную фотомет-

рию, радиояркостную калибровку изображений, коррекцию привязки

по реперным точкам в изображении, расчет абсолютных значений

температуры поверхности воды и вегетационного индекса, автомати-

ческое детектирование очагов пожаров по температурным признакам;

3) архивация: обеспечивает эффективную работу с большим ко-

личеством снимков и позволяет организовать запрос по дате и терри-

тории съемки;

4) геометрическая нормализация: обеспечивает трансформацию

изображений в ряд географических проекций и экспорт их в формат

Windows BMP.

4.3. МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Основным преимуществом использования метеорологических

космических систем, включающих несколько однотипных космиче-

ских аппаратов (КА), является оперативное получение в глобальном

масштабе гидрометеорологических данных с необходимым разреше-

нием.

4.3.1. Космические аппараты дистанционного зондирования

Метеорологическая космическая система «Метеор». В со-

став системы входят два спутника «Метеор-2», находящихся наквази-

полярных 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 аппа-

ратура, предназначенная для получения изображения облачности, ле-

дяных и снежных полей и подстилающей поверхности (в диапазоне

0,5–0,7 мкм), для обнаружения и прослеживания облачности на тене-

вой 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

«Метеор-3М» № 1.

КА «Метеор-3М» №1 (табл. 4.1) предназначен для

следующих основных задач:

– получение глобальных и региональных изображений облачно-

сти в видимом и инфракрасном диапазонах спектра для синоптическо-

го анализа и уточнения синоптических процессов (МР-2000М);

118

– получение глобальных и региональных данных о температуре

поверхности океана и высоте верхней границы облачности;

– определение местоположения и динамики перемещения атмо-

сферных 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, инте-

гральном водозапасе облаков (МИВЗА) и др.

Таблица 4.1

Аппаратура КА «Метеор-3М» №1

Аппаратура

Спектральный

диапазон, мкм

Простран-

ственное

разреше-

ние, км

Полоса

обзора,

км

Сканирующая ТВ-аппаратура с системой

запоминания для получения глобальной

информации МР-2000М1

0,5–0,8 1,5 3100

ИК-сканер для получения глобальной

информации и изображений в режиме

АРТ (КЛИМАТ)

10,5–12,5 1,7 3100

Микроволновый радиометр интеграль-

ного влажностного зондирования атмо-

сферы (МИВЗА)

22–94 Ггц

5 каналов

25–100 1500

Микроволновый радиометр температур-

ного и влажностного зондирования ат-

мосферы (МТВЗА)

18,7–183 Ггц

52–55 Ггц

Всего 19 каналов

12–75 2600

Комплекс геофизических измерений

КГИ-4С

Количество

каналов — 8

Ультрафиолетовый спектрометр

(лимбовый) СФМ-2

Количество

каналов — 4

0,2–0,51

Многоканальное сканирующее устрой-

ство высокого разрешения МСУ-Э

0,5–0,6;

0,6–0,7;

0,8–0,9

38×38 м

Многоканальное сканирующее устрой-

ство среднего разрешения МСУ-СМ

0,5–0,7;

0,7–1,1

225 м 2250

Определение вертикального распределе-

ния аэрозоля и малых газовых

компонент атмосферы SAGE-III (США)

11 каналов

0,29–1,55

Установка на борт КА Метеор-3М № 1 многоканальных скани-

рующих устройств высокого (40 м) и среднего (225 м) пространствен-

ного разрешения позволяет использовать данный КА для решения как

традиционных метеорологических, так и природно-ресурсных задач.

119

На борту также имеется комплекс аппаратуры гелиогеофизических

измерений, американский экспериментальный прибор SAGE-III, пред-

назначенный 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, ми-

нимальная — 1005 км, наклонение — 99°60′, период вращения 105,3

мин.

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 0,465 Ггц (передача глобальных дан-

ных).

Состоявшийся запуск является первым шагом восстановления

российской полярно-орбитальной метеорологической космической

системы.

Спутник подготовлен Российским авиационно-космическим

агентством совместно с Росгидрометом (заказчик КА «Метеор-3М»

№ 1) в рамках Федеральной космической программы России. В на-

стоящее время осуществляются летные испытания КА «Метеор-3М»

№ 1. Прием данных с КА Метеор-3М № 1 ведется основными прием-

ными центрами Росгидромета в Обнинске (НИЦ «Планета»), Новоси-

бирске (ЗС РЦПОД) и Хабаровске (ДВ РЦПОД). Сбор и обработка

основного объема данных осуществляются московским центром НИЦ

«Планета».

Спутник NOAA (США). Метеорологические спутники NOAA

(рис. 4.9) имеют длину 4,18 м, диаметр 1,88 м, массу на орбите 1030 кг.

Круговая орбита имеет высоту 870 км, один виток спутник совершает

за 102 мин. Площадь солнечных батарей спутника 11,6 м

, мощность

батарей не менее 1,6 кВт, но со временем батареи деградируют из-за

воздействия космических лучей и микрометеоров. Для нормальной

работы спутника необходима мощность не менее 515 Вт.

В настоящее время на орбите функционируют несколько спут-

ников. Сканер AVHRR спутника NOAA-14 с цилиндрическим скани-

рованием имеет 8-дюймовую (20 см) оптическую систему Кассегрена,

сканирование осуществляется путем вращения с частотой 6 об/с зерка-

ла 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 инфор-

мацию с поверхности около 3000×7000 км.

Спектральные каналы сканера выбраны так, что попадают в ок-

на прозрачности атмосферы:

120

Рис. 4.9. Спутник NOAA

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

2-й — 0,725–1,0 мкм (ближний ИК);

3-й — 3,55–3,93 мкм (участок ИК-диапазона, оптимальный для

измерения излучения от лесных и других пожаров);

4-й — 10,3–11,3 мкм (канал для измерения температуры по-

верхности суши, воды и облаков);

5-й — 11,4–12,4 мкм (канал для измерения температуры по-

верхности суши, воды и облаков).

На спутнике NOAA-15 установлен дополнительный канал, ра-

ботающий на волне длиной около 1,6 мкм для распознавания снега и

льда.

В 1-м и 2-м каналах в качестве детекторов излучения применя-

ются кремниевые фотодиоды. В 4-м и 5-м каналах установлены охла-

ждаемые до 105 К фоторезисторы, в 3-м канале — охлаждаемый фото-

резистор. На спутнике NOAA, как и на других спутниках, предусмот-

рена бортовая калибровка датчиков.

Сканер AVHRR имеет мгновенное поле зрения во всех каналах

Δϕ

= 1,26 ⋅ ⋅10

–3

рад, разрешение на местности в подспутниковой точке

выбрано ΔL = 1,1 км. Это связано с тем, что скорость спутника на ор-

бите составляет 7,42 км/с, его проекция движется по поверхности Зем-

ли 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 1,1×1,1 км.

Сигналы каждого канала квантуются на 1024 уровня (10-битное кван-

121