Проблемы и перспективы применения спутникового экологического мониторинга

Ведущую роль здесь играют США. Находящаяся под эгидой NOAA (National Oceanic Atmospheric Administration – Национальное управление по океанам и атмосфере) спутниковая метеорологическая система на полярных орбитах NOAA (запускаются с 1970 г.) и геостационарные GOES (запускаются с 1975 г.), а также принадлежащая министерству обороны США спутниковая система DMSP (Defense Meteorological Satellite Project – Оборонный проект спутниковой метеорологии; запускаются с 1966 г.) – единственные в мировой практике эксплуатационные системы мониторинга окружающей среды.

Применение на американских спутниках метеоразведки DMSP микроволновых радиометров в качестве всепогодных измерителей геофизических параметров океана и атмосферы позволило с 1991 г. реализовывать круглосуточное всепогодное обеспечение стандартной информацией о гидрометеорологических параметрах стран-членов WMO (Всемирная метеорологическая организация).

Для национальной безопасности американское правительство в середине 1990-х гг. приняло решение о создании Национальной спутниковой системы мониторинга окружающей среды с полярной орбиты NPOESS (National Polar-Orbiting Operational Environment Satellite System). Она создана путем объединения военной (DMSP) и гражданской (NOAA) спутниковых систем и включает эксплуатируемые в настоящее время DMSP и NOAA, а также разрабатываемые совместно с европейской метеорологической организацией Eumetsat ИСЗ «Metop» (запуск в 2004 г.). В работе NPOESS задействованы исследовательские спутники: Wind (запущен 1 ноября 1994 г.), Coriolis (запущен 6 января 2003 г.), а также по программе EOS –«Terra» (запущен 18 декабря 1999 г.) и «Aqua» (запущен 4 мая 2002 г.).

В других странах к числу наиболее значимых космических программ обзорного наблюдения Земли относят европейскую программу мониторинга и обеспечения безопасности Земли GMES, базирующуюся на КА «Envisat» (запущен 1 марта 2002 г.) и «Metop»; канадскую космическую программу с применением спутников «Radarsat» (запускаются с 1995 г.); японскую программу наблюдения Земли на базе ИСЗ «ADEOS» (запускаются с 1996 г.); индийскую систему дистанционного зондирования IRS (запуски с 1988 г.).

Космические аппараты, входящие в спутниковые системы глобального мониторинга Земли, представлены на рисунке 2.

В США исследование глобальных процессов с учетом их взаимодействия и влияния на состояние окружающей среды осуществляется в рамках национальной программы USGCRP (United States Global Change Research Programme – Программа изучения глобальных изменений), а также под эгидой Межправительственного комитета по климатическим изменениям IPCC (Intergovernmental Panel on Climatic Change). Ожидается, что полученные результаты станут научной основой для принятия государственных решений по вопросам состояния окружающей среды и климата в глобальном масштабе.

В нашей стране, несмотря на ее сложное экономическое положение и нарастающее отставание космической деятельности от других стран, в соответствии с Федеральной космической программой проводятся работы по дистанционному зондированию из космоса. Декларируются следующие направления:

- расширение знаний о Земле;

- мониторинг окружающей среды и контроль чрезвычайных ситуаций;

- повышение эффективности промышленного сырьевого секторов, транспорта, энергетики и др.

В 1990-х гг. в России для осуществления мониторинга окружающей среды и изучения природных ресурсов на орбиту последовательно запущены природоведческие спутники «Ресурс-О1» (запускаются с 1980 г.) и океанографические «Океан-О1» (запускаются с 1979 г.). В настоящее время функционирует выведенный на орбиту 10 декабря 2001 г. ИСЗ аналогичного назначения «Метеор-3М» №1, оснащенный кроме прочих приборов трехканальным электронно-оптическим сканером высокого разрешения МСУ (45 м) и первым в мировой практике зондирующим микроволновым сканером МТВ3А (подобный американский прибор SSM/IS, выведен на околоземную орбиту в октябре 2003 г.).

Российские спутники дистанционного зондирования Земли и метеорологических наблюдений представлены на рисунке 3.

С применением СВЧ-радиометра МТВ3А начались измерения таких важнейших для прогноза погоды параметров, как водный запас облаков, профили температуры и влажности атмосферы, радиационный баланс и скорость ветра. Подобная информация используется государственными метеорологическими службами стран-членов ВМО, ранее ее единственным источником служили спутники, принадлежащие министерству обороны США. Благодаря единому антенному блоку, включающему антенну, радиометрические приемники и многочастотный облучатель, в приборе МТВ3А реализована технология совмещения во времени спектральных и поляризационных видов измерений. Изображение получается при механическом сканировании антенного луча и движении космического аппарата. Коническое сканирование обеспечивает постоянство угла визирования и поляризации в рабочем секторе и исключает необходимость коррекции температуры (в радиодиапазоне), как это имеет место в микроволновых приборах на американских спутниках DMSP и NOAA.

Схема научно-технической поддержки спутниковой системы мониторинга окружающей среды приведена на рисунке 4.

 

 

 

Глава 2. Проблемы и перспективы применения

спутникового экологического мониторинга

2.1. Современные  проблемы дистанционного зондирования в рамках экологического мониторинга

Космическая деятельность России в области ДЗЗ рассматривается как часть общих усилий мирового сообщества по сохранению и оздоровлению сферы обитания, решению глобальных проблем энергетического и продовольственного обеспечения и обеспечению устойчивого экономического развития. В этой связи наряду с дальнейшим развитием и совершенствованием космического и наземного сектора российских средств ДЗЗ ставится задача эффективной интеграции и взаимодействия со средствами ДЗЗ мирового сообщества.

Сегодня космическая наука и технологии космической деятельности, создаваемые космические средства – эффективный инструмент обеспечения устойчивого развития. Им была представлена также космическая гидрометеорологическая система «Арктика».

Задача создания многоцелевой системы «Арктика» определена как одна из приоритетных задач, определенных Основами политики Российской Федерации в области космической деятельности на период до 2020 года и дальнейшую перспективу. Назначение системы «Арктика» состоит в:

- наблюдении крупномасштабных  гидрометеорологических процессов  на огромной территории Арктического региона (недоступного для наблюдения с геостационарных орбит) с получением многоспектральных данных в квазинепрерывном режиме (недостижимом для низкоорбитальных метеоспутников);

- высокопериодическом мониторинге  с разрешением до 1 м в любое время суток и при любом состоянии погоды за трассой Северного морского пути и другими маршрутами морского транспорта, а также высокоширотными районами добычи газа и нефти и ледовой обстановкой на всем пространстве Северного ледовитого океана в интересах экономики и безопасности России;

- получении гелиогеофизических  данных в полярных областях околоземного космического пространства;

- выполнении телекоммуникационных функций по сбору, обмену и ретрансляции гидрометеорологических данных.

Следует отметить, что в настоящее время в России активно развиваются спутниковые методы и новые технологии дистанционного зондирования Земли. Ведущиеся разработки, направленные на решение как фундаментальных, так и прикладных задач, не уступают современному мировому уровню исследований в данной области, а многие теоретические разработки опережают мировые достижения.

Что касается вопросов создания и использования приборов и систем для спутникового мониторинга состояния окружающей среды, то в настоящее время «слабыми местами» являются:

- создание приборов ДЗЗ;

- навигационная привязка получаемой информации;

- радиометрическая и геометрическая калибровка приборов.

В области создания приборных разработок обсуждаются как вопросы подготовки аппаратуры, которая будет запущена в ближайшее время:

- комплекс многозональной спутниковой съемки;

- атмосферный ИК Фурье-спектрометр ИКФС-2 для КА «Метеор-М», так и перспективные разработки, среди которых основное вниманиепосвящено разработке видеоспектрометров.

Видеоспектрометры безусловно являются одним из перспективных направлений космического приборостроения, но, к сожалению, все предлагаемые видеоспектрометры ограничиваются видимым и ближним ИК диапазонами, т.е. длинами волн менее 1 мкм.

К настоящему времени проведен большой объем работ в области технологий и методов использования спутниковых данных в системах мониторинга как в России, так и в странах ближнего зарубежья. Основными направлениями работ являлись:

- методическое и аппаратное  обеспечение систем дистанционного  зондирования;

- развитие программно-аппаратного  и методического обеспечения  тематической интерпретации экспериментальных данных;

- использование данных  ДЗЗ в различных отраслях народного  хозяйства и научных исследованиях;

- совершенствование и  развитие новых систем сбора, обработки и хранения информации.

2.2. Перспективы  спутниковых систем 

дистанционного зондирования Земли

В соответствии с «Концепцией развития российской системы дистанционного зондирования Земли на период до 2025 года», главной целью создания российской орбитальной группировки космических средств ДЗЗ (ОГ КС ДЗЗ) является максимальное удовлетворение потребностей национальной экономики и обеспечение конкурентоспособности в области ДЗЗ. Достижение поставленной цели реализуется в рамках «Федеральной космической программы России на 2006-2015 годы» запланированными мероприятиями по разработке перспективных космических средств ДЗЗ (КС ДЗЗ), оснащаемых достаточно сложным комплексом современной съемочной аппаратуры, и сбалансированным развитием наземной инфраструктуры эксплуатации создаваемой орбитальной группировки.

Формирование российской ОГ КС ДЗЗ началось в июне 2006 г. запуском первого гражданского космического аппарата (КА) высокодетального наблюдения «Ресурс-ДК», который успешно функционирует до настоящего времени. Запуском в январе и вводом в июле 2011 г. в опытную эксплуатацию космического спутника геостационарного базирования «Электро-Л», обеспечивающего глобальную съемку Земли в видимом и инфракрасном диапазонах, состав отечественной ОГ КС ДЗЗ доведен до трех КА. Созданная орбитальная группировка, включающая в том числе полярно-орбитальный КА гидрометеорологического назначения «Метеор-М» №1, обеспечивает проведение космической съемки и получение разнообразных данных ДЗЗ высокого, среднего и низкого разрешения в оптическом диапазоне спектра. Эксплуатация запускаемых КА ДЗЗ успешно реализуется Оператором КС ДЗЗ – Научным центром оперативного мониторинга Земли ОАО «Российские космические системы».

Важным итогом этого периода является подтверждение правильности реализуемых технических решений в части создания современной целевой аппаратуры наблюдения. Существенным шагом вперед на пути российского космического приборостроения стало создание специалистами ОАО «Российские космические системы» многозональных сканирующих устройств низкоорбитальных КА (МСУ-МР / «Метеор-М» № 1) и КА геостационарного базирования (МСУ-ГС / «Электро-Л» №1). При отработке приборов совместно с предприятиями кооперации восстановлены технологии изготовления систем радиационного охлаждения фотоприемников до криогенных температур (ОАО «НИИЭМ», г. Истра), прецизионных высокоточных двух- и трех- координатных приводов (СКВ ИКИ РАН, г. Таруса), впервые в мировой практике на геостационарном КА использованы многоэлементные приемники инфракрасного диапазона. Конструктивное сотрудничество специалистов ОАО «Российские космические системы» и ФГУП «НПО Орион» позволило приступить к производству ИК-приемников нового поколения для перспективных КК ДЗЗ.

В целом совокупные возможности орбитальной группировки ближайшего периода в десятки раз повышают нагрузку на наземную инфраструктуру эксплуатации КС ДЗЗ. Проведенные оценки показывают, что потребуется ежесуточно проводить более 100 сеансов приема данных с КА группировки с обработкой в потоковом режиме (в темпе приема) около 15 ТБ разнородной информации. В этих условиях устойчивый режим по своевременному предоставлению данных ДЗЗ потребителям может быть обеспечен только заблаговременным решением ряда первоочередных задач, которые можно условно разделить на два крупных направления.

Первое – это реализация комплекса мероприятий по созданию всех необходимых технологических компонентов эффективного целевого применения ОГ КС ДЗЗ, который включает:

- экспериментальную отработку и внедрение автоматизированной системы комплексного планирования целевого применения совокупного информационного ресурса орбитальной группировки ДЗЗ;

- создание Единой территориально распределенной информационной системы ДЗЗ (ЕТРИС ДЗЗ);

- создание системы валидационных подспутниковых наблюдений как составной части процесса целевого применения каждого КА группировки;

- обеспечение технологической готовности Оператора КС ДЗЗ к работе с новыми видами космической съемки (гиперспектральной и радиолокационной) и созданию на ее основе информационных продуктов.

Второе направление – развитие системы общедоступных сервисов по обеспечению потребителей как первичными данными, так и максимально унифицированными продуктами ДЗЗ, в первую очередь на основе глобальных информационных интернет-технологий удаленного доступа.