Анатолий Большаков - Космические методы в океанологии

• Название: Космические методы в океанологии
• Автор: Анатолий Большаков
• Издательство: Знание
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1982

В последние годы все большее место в космических программах отводится исследованиям Земли из космоса как со специализированных спутников, так и с борта пилотируемых орбитальных станций. Среди широкого комплекса методов космического зондирования Земли важную роль играют методы по изучению Мирового океана. Об этом и рассказывается в данной брошюре.

Брошюра рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся прикладными аспектами космонавтики.

---

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.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИСЗ ДЛЯ СВЯЗИ И НАВИГАЦИИ НА МОРЕ

Одним из основных прямых контактных методов получения информации о Мировом океане, особенно при длительных измерениях, с давних пор в океанологии считался метод сбора информации с применением автономных океанологических буев. Для этого с борта НИС в интересующем ученых районе Мирового океана устанавливались на якорях или пускались в свободный дрейф специальные океанологические буи с размещенной на них аппаратурой для непосредственных контактных измерений. Полученная при работе буя информация передавалась на лежащее поблизости в дрейфе НИС или записывалась на автономные буйковые самописцы.

Схема работы с использованием буев довольно проста и эффективна, но имеет некоторые недостатки. Прежде всего при такой организации работы необходимо держать НИС вблизи установленного буя. Это не всегда желательно, а иногда и искажает сигналы датчиков, приводит к потерям времени и средств. Передать же информацию непосредственно на берег, нередко на расстояния несколько тысяч километров, сложно и дорого, поскольку в этом случае на каждом буе необходимо установить мощную автономную радиостанцию.

Очевидно, что задачу можно гораздо проще решить, используя какой-либо промежуточный ретранслятор, и лучше всего, если такой ретранслятор установить на ИСЗ. Тогда на буе можно разместить простой малогабаритный и надежный УКВ-передатчик с антенной, направленной вверх. Океанологические датчики буя будут периодически опрашиваться с помощью специального коммутатора и полученные сигналы записываться на буферном самописце.

При пролете ИСЗ над буем этот передатчик включается и передает накопленную информацию на спутник, где она сначала записывается на бортовой магнитофон, а затем при пролете ИСЗ над наземным пунктом связи «сбрасывается» вниз. Дальнейшее ее распределение между потребителями осуществляется уже по обычным наземным каналам связи.

Орбиты ИСЗ-ретрансляторов могут выбираться таким образом, что сеансы связи буев с ИСЗ и передача информации с буев будет осуществляться не реже одного раза в сутки. А в принципе при выборе достаточно высоких орбит ИСЗ и оснащении системы сбора данных достаточным количеством спутников можно реализовывать и более частую и даже непрерывную передачу океанологической информации с буев.

Такие спутниковые системы сбора и передачи информации (СССПИ) различного типа были разработаны в СССР, ГДР, США, Франции и других странах и прошли успешные испытания на ряде ИСЗ. В частности, аппаратура для отработки СССПИ, разработанная специалистами социалистических стран, устанавливалась на ИСЗ «Интеркосмос-20» и «Интеркосмос-21». На каждом буе в этой системе можно было установить 31 датчик, период опроса которых варьировался от 30 до 60 мин.

Во время сеанса связи ИСЗ с буем может определяться взаимное расстояние между ИСЗ и буем, чтобы по этим данным рассчитать положение буя в земной системе координат. Такие автоматические системы определения координат буев открывают широкие перспективы для использования свободно дрейфующих буев, для слежения за их перемещениями, облегчают поиск буев, их обслуживание и т. д. Точность определения координат буев при этом достигает 1 − 3 км, что вполне достаточно для решения многих практических задач.

В качестве примера технических характеристик современных СССПИ приведем основные данные франко-американской системы «Аргос», которая функционирует с 1978 г.

Район работы системы − весь земной шар

Типы ИСЗ-ретрансляторов − метеорологические ИСЗ «Тирос-Н»

Высота орбит ИСЗ-ретрансляторов − 830 км

Типы орбит − полярные или солнечно-синхронные

Максимальное количество обслуживаемых системой буев − 16 000

Средняя частота опроса буев с ИСЗ − 3,5 ч

Точность определения координат буев − 3 км

Количество измерительных каналов на каждом буе − 32

Период опроса датчиков буя − 40 − 200 с

Рабочая частота передатчика буя − 401 МГц

Вес комплекта служебной аппаратуры для буя − 1,5 кг

Энергопотребление служебной аппаратуры − не более 200 мВт

Время предварительной обработки информации от момента ее передачи с ИСЗ до момента передачи потребителю − не более 6 ч

Стоимость одного комплекта аппаратуры для буя − не более 10 тыс. фран.

Широкое применение находит сейчас и использование ИСЗ для навигации судов промыслового, транспортного и научного флота. Практически на всех крупных НИС сейчас установлены спутниковые навигационные системы и объясняется это рядом принципиальных достоинств спутниковых навигационных систем. Последние могут работать при любых метеоусловиях, в дождь и туман, а точность их работы значительно выше, чем у традиционных оптических и радиодальномерных систем. Судовое оборудование для спутниковых систем в современном исполнении имеет небольшие габариты и массу.

Идея использовать ИСЗ для навигации судов довольно проста. ИСЗ движется по орбите, параметры которой можно измерить и спрогнозировать довольно точно − с точностью до нескольких метров. Если в какой-то момент времени измерить расстояние от судна до ИСЗ или скорость изменения этого расстояния, то затем несложно рассчитать координаты судна в момент связи. Здесь используется та же идея, что и при определении координат буев в СССПИ. В спутниковой навигационной системе одновременно может использоваться несколько ИСЗ, что позволяет проводить навигационные измерения через периоды менее 1 ч.

По такому принципу построена, например, американская спутниковая система навигации «Транзит». Коммерческое использование системы началось в 1967 г., а сейчас этой системой пользуются десятки тысяч судов, находящихся в различных точках Мирового океана. В системе «Транзит» используется шесть ИСЗ, обращающихся вокруг Земли по полярным орбитам высотой 1075 км. Время наблюдения каждого ИСЗ потребителем в сеансе определения координат составляет 10 − 15 мин, я за это время ИСЗ пролетает несколько тысяч километров.

Использование полярных орбит для навигационных ИСЗ позволяет работать с системой в любом районе Мирового океана. В этой системе перерывы в навигационных наблюдениях максимальны на экваторе и составляют 80 мин. Среднеквадратичная точность определения координат судов с использованием системы «Транзит» составляет около 100 м.

Это уже достигнутый уровень. Разрабатываемая сейчас перспективная спутниковая навигационная система «Навстар» должна обеспечивать точность определения положения судов около 5 м. В состав этой системы войдут 24 ИСЗ, круговые орбиты которых будут иметь высоту около 20 тыс. км и наклонение 63°. Такое расположение ИСЗ позволит обеспечить радиовидимость из любой точки на поверхности Земли в любой момент времени не менее шести ИСЗ системы, что необходимо для непрерывных определений навигационных параметров в реальном масштабе времени.