Американские программы развития космических систем наблюдения земли в инфракрасном диапазоне (2019)Майор Д. Длугоцкий, Работы по получению изображений местности в инфракрасном (ИК) диапазоне оптического излучения ведутся в США более 60 лет. Поэтому процесс развития ИК-систем наблюдения, которыми оснащаются космические аппараты (КА) США, лучше всего проследить на примере основных американских космических систем съемки земной поверхности (СЗП) с инфракрасной камерой в хронологическом порядке по мере их появления. Началом СЗП в дальнем ИК-диапазоне с помощью КА можно считать 1 апреля 1960 года, когда в США с мыса Канаверал был запущен первый метеорологический КА "Тирос-1". Именно с помощью его целевой аппаратуры были получены первые изображения Земли в ИК-диапазоне. Несмотря на соответствие современным стандартам они доказали актуальность использования ИК-технологий для изучения Земли из космоса. КА "Тирос-1" запускался в интересах Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и министерства обороны США. Оснащенный двумя телевизионными камерами, ИСЗ проработал на орбите 78 сут, продемонстрировав технические возможности наблюдения из космоса за облаками, покрывающими Землю, и метеорологической обстановкой. С 1962 года КА серии "Тирос" начали непрерывный обзор Земли. Изображения в ИК-диапазоне, получаемые с этого аппарата, позволяли следить за метеообстановкой не только в дневное, но и в ночное время. Их пространственное разрешение составляло 8-10 км, а радиометрическое - 8 бит. Несмотря на то что данные, полученные ИК-камерой КА "Тирос-1 и -2", имели низкое пространственное разрешение, была впервые показана возможность использования данных инфракрасной СЗП для решения целого ряда метеорологических задач. С течением времени средства получения данных в ИК-диапазоне совершенствовались в отношении как пространственного разрешения, так и температурного. Например, снимки, получаемые радиометрами КА серии "Ноаа", созданных по заказу Национального управления по исследованию океанов и атмосферы США в начале 1970-х годов, характеризовались пространственным разрешением 6 км и температурным 1 °С. Совершенствование технологии получения тепловых изображений привело к разработке радиометров, позволяющих регистрировать тепловое излучение Земли не в одном, а в нескольких узких спектральных каналах в диапазоне от 8 до 14 мкм. Так, целевая аппаратура "Авхрр" КА "Ноаа" измеряет отражательную способность Земли в пяти относительно широких спектральных диапазонах (центральные длины волн 0,6, 0,9, 3,5, 11 и 12 мкм), с пространственным разрешением 1,1 км и температурным 0,1 - 0,2 °С в полосе обзора 2 500 км, обеспечивая тем самым полное изображение поверхности Земли за 1 сут. Использование нескольких спектральных каналов ИК-диапазона способствует развитию различных направлений исследования Земли и планет, например таких как определение температуры поверхности суши и океана, распознавание геологических структур и типов горных пород на основе ИК-спектрометрии. На КА типа "Ноаа", работающих в настоящее время, установлены два вида целевой аппаратуры: "Авхрр" и комплект аппаратуры для зондирования атмосферы. Основное их назначение - мониторинг облачного покрова и измерение фонового теплового излучения Земли. По данным, получаемым этой аппаратурой, определяется температура поверхности океана и суши. Изображения, обретенные с помощью аппаратуры "Авхрр" различного поколения и накопленные за более чем 20-летний период, крайне важны при изучении изменений климата и состояния окружающей среды. В 1975 году на геостационарную орбиту был запущен первый КА типа "Гое с", предназначенный для обеспечения метеорологической службы США. Два таких КА третьего поколения позволяют получать изображения в 12-18 каналах от 0,47 до 13,3 мкм с пространственным разрешением в видимом диапазоне 0,5 км, а в инфракрасном - 2 км при возможности обзора видимого диска Земли за 5-15 мин. В 1978 году было запущено три КА, имеющих на борту ИК-аппаратуру: "Сеасат", "Хсимм" и "Нимбас". Данные аппараты дали значительный импульс развитию космических систем СЗП, а полученные наработки, использовались в дальнейшем при создании КА СЗП. Первым космическим аппаратом, предназначенным для наблюдения за океанами, стал КА "Сеасат", запущенный 27 июня 1978 года. Он поработал до 10 октября 1978 года и был выведен из строя после короткого замыкания в бортовой системе электропитания. Основная задача заключалась в демонстрации возможностей аппарата по глобальному космическому мониторингу океанографических явлений. Кроме того, КА осуществлял сбор данных о ветрах на поверхности моря и его температуре, высоте волн, внутренних волнах, атмосферной воде, особенностях морского льда и топографии океана. На борту ИСЗ в качестве целевой аппаратуры было установлено пять основных приборов, предназначенных для сбора информации о поверхности океана. Так, для получения тепловых ИК-снимков с разрешением 7 км использовалась аппаратура "Вирр". В рамках программы НАСА "Эксплорер" был создан КА "Хсимм". Став первым из предусмотренных данной программой, он предназначался для ведения круглосуточной всепогодной съемки поверхности Земли, с помощью установленного на нем двухканального радиометра с одноименным названием. Первый канал обеспечивал ведение съемки в видимом и ближнем ИК-диапазонах (0,55-1,1 мкм), а второй - в дальнем (10,5-12,5 мкм). Радиометр позволял получать ИК-изображения с пространственным разрешением 500-600 м в полосе обзора 715 км. Необходимо также отметить, что возможность хранения данных на борту отсутствовала, поэтому они передавались только в реальном времени, когда КА входил в зону приема наземных станций. В том же 1978 году для отработки различных технологий океанографических и метеорологических наблюдений был запущен КА "Нимбас-7". Целевая аппаратура состояла из восьми приборов, в частности сканера "Сизсис". "Сизсис", изготовленный компанией "Болл аэроспейс текнолоджиз", представлял собой многоканальный сканирующий радиометр. Он позволял получать ИК-изображения в шести каналах с разрешением 825 м. Использовался сканер главным образом для съемки прибрежных вод и океанских течений в спектральной зоне с центром 11,5 мкм. Ширина полосы обзора составляла 1 556 км в надир. Решения, примененные в "Сизсис", заложили основы для создания последующих ИК-сканеров по изучению океанов. Так, его эволюционным развитием стал сканер "Сеавифс", а в последующем - ИК-спектрорадиометр "Модис". Сканер "Сеавифс", установленный на запущенный в 1997 году КА "Сеастар", не был предназначен для работы в ИК-диапазоне. Работая в восьми спектральных каналах в диапазоне 0,402-0,885 мкм, он обеспечивал ведение съемки с пространственным разрешением 1100 м. Сканирующий спектрорадиометр "Модис" размещен на КА "Терра" и "Аква", запущенных в 1999 и 2002 годах соответственно. Он обеспечивает съемку на 36 каналах: из них на 12 - в видимом диапазоне, на 8 - в ближнем и среднем, 16 - в ИК-диапазоне (в том числе: 6 - в окне прозрачности 3-5 мкм, 8 - в окне прозрачности 8-14 мкм и 2 - между ними для изучения содержания водяного пара в атмосфере и облаков). Два канала имеют пространственное разрешение 250 м, пять - 500 м и 29 (в том числе все инфракрасные) - 1000 м при ширине полосы обзора 2300 км. Сканер позволяет производить регулярную съемку заданной территории. Широкое распространение данных системы "Модис" обусловлено, прежде всего, главными достоинствами системы: ежедневным глобальным охватом поверхности Земли, большим числом диапазонов, в которых осуществляется регистрация изображений, наличием значительного числа каналов со средним пространственным разрешением. Эти данные используются для решения разнообразных задач по регулярному мониторингу природных явлений, таких как: изучение облачного покрова, концентрация взвешенных частиц (аэрозолей), распределения водяного пара в атмосфере, мониторинг опасных атмосферных явлений; оперативное картографирование и изучение температурного режима океана, распространения морских льдов; анализ и динамика распространения фитопланктона в целях определения биопродуктивности океана; оперативное автоматизированное выявление очагов лесных пожаров; выявление мест сжигания попутного газа и мониторинг факелов; определение и мелкомасштабное картографирование биопродуктивности лесных массивов и сельскохозяйственных угодий; мониторинг процессов заболачивания и опустынивания, засоления, половодий, паводков; оценка результатов наводнений и антропогенно спровоцированных катастроф на региональном и глобальном уровне (цунами, извержения вулканов) и т. д. На космическом аппарате "Терра" в качестве целевой аппаратуры помимо сканирующего спектрорадиометра "Модис" установлен усовершенствованный радиометр теплового излучения и отражения "Астер". Это многоканальный сканер высокого разрешения, позволяющий проводить съемку в видимом и ИК-диапазонах. Аппаратура "Астер" создана для более детального и глубокого изучения явлений на земной поверхности и в атмосфере Земли в рамках американской программы "Еос". Программа реализуется совместно США и Японией - Япония разработала сам радиометр "Астер" и наземные станции по приему сигналов, а НАСА ответственна за управление, запуски КА и развитие системы. Обе стороны в равной мере осуществляют прием и распространение данных. Радиометр "Астер" получает данные в 14 спектральных диапазонах: 3 - в видимой и ближней ИК-зонах спектра, 6 - в средней и 5 - в дальней ИК-зоне, с пространственным разрешением соответственно 15, 30 и 90 м и размером кадра 60х60 км на местности. Данные среднего ИК-диапазона прекратили поступать в начале 2008 года в связи с перегревом соответствующих датчиков. Зоны видимого и ближнего ИК-диапазонов обеспечивают решение широкого спектра задач мониторинга и картографирования поверхности Земли. Зоны среднего ИК-диапазона позволяют распознавать местонахождение минералов. Зоны ИК-диапазона предназначены для регистрации теплового излучения земной поверхности и определения основных типов горных пород, температуры поверхности суши, выявления очагов тепла, мониторинга вулканической активности и др. Самой крупной американской программой в области ИК-систем является развертывание космической системы "Лэндсат". С начала ее реализации в 1972 году запущены восемь КА. "Лэндсат" является наиболее продолжительной и успешной двойного назначения программой съемки Земли. Собранный архив снимков позволяет анализировать изменения, произошедшие на протяжении уже более 40 лет. На первых двух в качестве целевой аппаратуры использовался сканер "Мсс", который обеспечивал съемку земной поверхности с различным пространственным разрешением в видимом и ближнем ИК-диапазонах. Запущенный в 1978 году КА "Лэндсат-3" стал последним аппаратом первого поколения. В то же время благодаря модернизированному сканеру "Мсс" он стал первым КА серии, позволявшем вести съемку в дальнем ИК-диапазоне с разрешением 240 м. Космические аппараты второго поколения "Лэндсат -4 и -5" были оснащены уже оптико-механическими сканерами двух типов - усовершенствованным "Мсс" и вновь разработанным "Тм". Так, с 1982 года первый позволял вести съемку в видимом и ближнем ИК-диапазонах с пространственным разрешением 80 м, а второй - в видимом ближнем и среднем ИК-диапазонах - с пространственным разрешением 30 м. В дальнем ИК-диапазоне у обоих сканеров разрешение достигало 120 м. Они обеспечивали также съемку в полосе шириной 185 км. Третье поколение серии началось с потери в результате неудачного запуска КА "Лэндсат-6", на который был установлен радиометр "Етм" - он оснащался усовершенствованным вариантос сканера "Tм". В последующем при разработке целевой аппаратуры для КА "Лэндсат-7" радиометр "Етм" был модернезирован и получил название "Етм+". Основным отличием данного прибора является наличие панхроматического канала высокого разрешения (15 м) и увеличенное пространственное разрешение в дальнем ИК-канале до 60 м. КА "Лэндсат-7" находится на орбите с 15 апреля 1999 года. С конца мая 2003 года в связи с выходом из строя одного из элементов съемочной системы радиометр "Eтм+" работает некорректно, сбои в работе аппаратуры привели к снижению качества данных, снимки поступают в режиме выключенного корректора линий сканирования. Возникшие неполадки на КА "Лэндсат-7" вынудили возобновить оперативную эксплуатацию "Лэндсат-5", который находится на орбите с 1984 года, но 18 ноября 2011-го съемка с него была приостановлена в связи с техническими проблемами. Запуск КА четвертого поколения "Лэндсат-8", созданного в рамках программы "Лдсим", состоялся в феврале 2013 года. На него установлен сканер дальнего ИК-диапазона "Тирс", который позволяет вести съемку в двух ИК-диапазонах: 10,6-11,2 и 11,5-12,5 мкм с пространственным разрешением 100 м. Дальнейшие НИОКР по программе "Лэндсат" имеют своей целью создание КА следующего поколения, который должен позволить геологической службе США обеспечить непрерывное получение данных о Земле с заданными оперативностью и разрешением. Контракт от НАСА на разработку КА "Лэндсат-9" получила компания "Орбитал Атк", ныне подразделение "Нортроп-Грумман". В настоящее время программа реализуется в строгом соответствии с планом, однако, несмотря на низкий уровень технического риска (большинство систем заимствовано у "Лэндсат-8"), КА имеет ряд особенностей. Установленный на него сканер дальнего ИК-диапазона "Тирс-2" будет характеризоваться повышенным уровнем производительности, а разрабатываемый сканер "Оли-2" будет аналогичен созданному в интересах КА "Лэндсат-8" с незначительными изменениями. Так, сканер "Тирс-2" разработки космического центра НАСА имени Годдарда будет обеспечивать работу в двух спектральных диапазонах дальней ИК-зоны с пространственным разрешением 100 м. Сканер "Оли-2" позволит осуществлять съемку в видимом, ближнем и среднем ИК-диапазонах с улучшенной радиометрической точностью (квантование увеличено с 12 бит для "Лэндсат-8" до 14 бит), незначительно улучшая общее соотношение сигнал/шум. Он обеспечит пространственное разрешение 30 м для всех диапазонов кроме панхроматического, для которого оно составит 15 м. Расчетный срок службы обоих сканеров пять лет, хотя расчетный срок активного существования самого аппарата "Лэндсат-9" более 10 лет. (Запуск намечен на конец 2021 года). Стоимость проекта на 2019 год около 885 млн долларов. Одним из самых засекреченных американских проектов создания КА с инфракрасной целевой аппаратурой на борту является программа под руководством лаборатории Сандия по заказу национальной администрации по ядерной безопасности министерства энергетики США "Ннса". В рамках данной программы был создан КА "Мти", запущенный 12 марта 2000 года. Проработал КА до ноября 2000-го, выполнив съемку отдельных районов США, после чего из строя вышла система управления аппаратом. Попытки наладить связь с КА предпринимались в 2001 и 2003 годах, но были неудачными. Целевая аппаратура КА "Мти" включала в себя сканер, с помощью которого проводилась съемка поверхности Земли в 15 спектральных диапазонах (три из них расположены в видимой области, а остальные - от ближней до дальней ИК). В дальней ИК-области использовались диапазоны 8,0-8,4, 8,4-8,8 и 10,2-10,7 мкм. Разрешение получаемых изображений в ИК-диапазоне, предположительно, составляло около 20 м. По заявлению разработчиков, по своей чувствительности аппаратура ИСЗ превзошла все запускавшиеся до нее на орбиту образцы. Это позволило регистрировать отраженные от поверхности Земли и излучаемые различными средами и объектами тепловые потоки. Одновременно со съемкой поверхности Земли проводилось измерение содержания водяных паров, а также кристаллов водяного льда и аэрозолей в атмосфере для учета вызываемых ими эффектов при последующей обработке изображений. Что касается практического использования данных, получаемых с КА "Мти", то с помощью такой аппаратуры предполагалось обнаруживать выбросы сточных вод в реки и озера, утечки химических веществ, нефтяные пленки на поверхности водоемов, "хвосты" горных выработок; осуществлять мониторинг состояния растительности и вулканической активности. Данные с КА "Мти" использовались также для проведения научных работ в рамках программы исследований глобальных изменений "Джисирп". За время функционирования этой системы проводилась съемка различных участков на территории США, преимущественно с целью оценки теплопотерь на электростанциях. По состоянию на 2019 год общедоступные снимки, полученные с помощью КА "Мти", отсутствуют. Необходимо отметить, что для видовой съемки с низких орбит в рамках программы космических исследований "Стп" в 2000 году американские ВВС осуществили запуск малого КА "Тсе-5" с целевой аппаратурой "Стрв-2". Ее создание профинансировано организацией по защите от баллистических ракет МО США (в настоящее время агентство противоракетной обороны). Аппаратура включает в себя британскую ИК-камеру массой 23 кг, размещенную на специальной антивибрационной платформе "Висс" компании "Ханиуэлл", и может выполнять съемку района размером 16 х 120 км в среднем ИК-диапазоне с разрешением около 30 м. Таким образом, учитывая большое количество программ, реализуемых различными ведомствами США по созданию ИК-систем наблюдения на протяжении длительного времени, можно сделать вывод, что руководство США уделяет особое внимание этому вопросу и выделяет значительное финансирование. Самой успешной программой, реализуемой в США в данной области, является проект "Лэндсат". Это подтверждается самим фактом, что в настоящее время среди КА с инфракрасной целевой аппаратурой, разработанных и эксплуатируемых в США, наилучшим пространственным разрешением тепловых снимков (60 м) обладает "Лэндсат-7" с целевой аппаратурой "Eтм+", не считая потерянного аппарата "Мти" (20 м) и КА "Тсе-5" (30 м) со съемочной аппаратурой иностранного производства. Семейство КА "Лэндсат" уже многие годы является ценным источником данных для геопространственных исследований. Съемочная аппаратура "Eтм+" обеспечивает получение изображений в видимом, ближнем, среднем и дальнем ИК-диапазонах, а также панхроматических снимков высокого разрешения, что дает возможность комбинировать данные СЗП различного типа в геопространственных исследованиях для получения наилучших результатов. Очевидно, что в некоторых случаях пространственного разрешения 60 м недостаточно, однако по состоянию на 2019 год использование гражданскими организациями для съемки из космоса ИК-сканеров с лучшими характеристиками пространственного разрешения в ближайшее время не планируется, за исключением КА "Лэндсат-9" с улучшенными характеристиками инфракрасной аппаратуры без существенного прироста разрешения.
Зарубежное военное обозрение. - 2019. - №12. - С. 52-59 Смотрите также | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Просмотров: 13146 | | | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Всего комментариев: 0 | |