Космические методы в океанологии

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.