«Земля и Вселенная» 2004 №5, с. 3-12

В статье обсуждаются некоторые аспекты организации и осуществления мониторинга окружающей среды с помощью космических средств дистанционного зондирования Земли.

ЗАДАЧИ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Космическая деятельность играет важную роль в процессе глобализации и информатизации мирового сообщества, решении многих социально-экономических проблем и научно-исследовательских задач, а также в обеспечении национальной безопасности. Использование космической техники помогает решать ряд актуальных проблем системы "Земля" (атмосфера — океан — поверхность — биосфера), в том числе оценивать и прогнозировать изменения состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов.

Дистанционное зондирование Земли из космоса (ДЗЗ) предоставляет уникальную возможность получать ценную информацию о земных объектах и явлениях в глобальном масштабе с высоким пространственным и временным разрешением. Космическая съемка поверхности Земли определяет физические, химические, биологические, геометрические параметры объектов наблюдения в различных средах Земли, как правило, используя функциональную зависимость между инструментальной способностью космической техники и искомыми параметрами. Спектральный диапазон бортовых измерителей выбирается при их разработке в зависимости от излучательной способности объектов наблюдения.

Диаграмма спектральных характеристик потенциальных объектов наблюдения на Земле и некоторых приборов, установленных на космических аппаратах ДЗЗ.

Мониторинг окружающей среды, ведущийся с 1970-х гг., значительно углубляет научные знания о Земле и окружающем ее пространстве. Правительство РФ 31 марта 2003 г. приняло постановление по организации и осуществлению государственного мониторинга окружающей среды (экологического мониторинга). Это комплексная система: наблюдение за состоянием природы планеты, оценка и прогноз изменения ее состояния под воздействием природных и антропогенных факторов, обеспечение потребностей государства, юридических и физических лиц полученной информацией. При мониторинге данные космической съемки используются в сочетании с другими источниками информации. Их обработка осуществляется с помощью геоинформационной системы технологий, которые выступают как интерактивный инструмент управления.

СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ЗЕМЛИ

Для мониторинга окружающей среды на базе космических средств наиболее продуктивно используется информационная спутниковая система, которой присущи целостность, целенаправленность, динамизм, преемственность, совместимость, автономность. Структурно эта сложная спутниковая система мониторинга включает орбитальный и наземный сегменты: первый осуществляет функцию наблюдения, второй, наряду с наблюдением, -функции оценки и прогноза. Мониторинг окружающей среды предъявляет специфические требования к эксплуатационным характеристикам системы, а также к результатам космических съемок (в части информационных параметров) и автоматизации средств манипуляции с ними. Весьма существенны регулярность проведения съемок и оперативное предоставление данных пользователям. Это обеспечивает орбитальная группировка системы, которая формируется из нескольких КА, долгосрочно функционирующих на солнечно-синхронных орбитах. Информационные и эксплуатационные характеристики космических аппаратов определяются многоспектральной съемкой разрешением порядка 100 м и выше с полосой обзора 800-2000 км (Земля и Вселенная, 2000, №4).

Модель спутниковой системы мониторинга окружающей среды.

Эффективность спутниковой системы мониторинга окружающей среды достигается при комплексном применении перспективных космических и новых информационных технологий. Такие технологии представляют собой мощный методологический арсенал синтеза спутниковых систем и весьма продуктивны на всех фазах создания и функционирования спутниковой системы мониторинга: проектирование, изготовление, использование по целевому назначению и модернизация. Они лежат также в основе процесса диагностики наземных объектов из космоса. Научно-техническая поддержка спутниковой системы мониторинга окружающей среды представляет интеграционный процесс, который включает получение научных знаний о Земле, разработку информационных и космических технологий на этапе исследования и проектирования системы, создание моделей и демонстрационные испытания на этапе создания системы, диагностику объектов и явлений в процессе функционирования системы.

СРЕДСТВА МОНИТОРИНГА

Наблюдение Земли из космоса началось в 1960-е гг. с американских и советских метеорологических спутников серии "Tiros", "ESSA", "Nimbus", "ITOS", "Метеор". За последующие десятилетия информационные возможности и целевое применение космических аппаратов ДЗЗ значительно расширились. На смену метеорологическим ИСЗ пришли спутниковые системы, предназначенные для мониторинга окружающей среды и исследования динамики планетарных процессов, совместно с системами изучения природных ресурсов Земли, такими как "Landsat" (США, запускаются с 1972 г.), "SPOT" (Франция, запускаются с 1986 г.) и "Ресурс" (РФ, запускаются с 1988 г.), и миссиями исследовательских космических аппаратов.

Схема научно-технической поддержки спутниковой системы мониторинга окружающей среды.

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 создается путем объединения военной (DMSP) и гражданской (NOAA) спутниковых систем и включает эксплуатируемые в настоящее время КА "DMSP" и "NOAA", а также разрабатываемые совместно с европейской метеорологической организацией Eumetsat ИСЗ "Metop" (запуск планируется в 2004 г.). В работе NPOESS задействованы исследовательские спутники: "Wind" (запущен 1 ноября 1994 г.), "Coriolis" (запущен 6 января 2003 г.; Земля и Вселенная, 2004, № 1), а также по программе EOS -"Terra" (запущен 18 декабря 1999 г.; Земля и Вселенная, 2000, № 6) и "Aqua" (запущен 4 мая 2002 г.; Земля и Вселенная, 2003, № 6). 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.

Космические аппараты, входящие в спутниковые системы глобального мониторинга Земли: 1 — "Landsat"(США), 2 — "Terra" (США), 3 — "Aqua" (США), 4 — "Radarsat" (Канада), 5 — "ADEOS" (Япония). Рисунки NASA, CSA и NASDA.

Программа EOS (Earth Observing System — Система наблюдения Земли) предназначена для реализации опубликованного в 2001 г. стратегического плана NASA по исследованию планеты с помощью серии ИСЗ определенной направленности. Она включена в проект МТРЕ (Mission to Planet Earth — Миссия к планете Земля), проводимый NASA с 1991 г. по программе "Исследование глобальных изменений на Земле". В рамках программы EOS предполагается в течение 15 лет всесторонне изучать планету как единую интегрированную систему с использованием общей информационной сети EOSDIS для приема, обработки, архивирования, распределения, моделирования и интерпретации спутниковых данных, а также для комплексного планирования работы и управления полетом ИСЗ данной серии. Каждый спутник выполняет одну из задач по изучению химического состава атмосферы, динамики и энергетики атмосферы, облачного покрова, водного и энергетического баланса, динамики, физико-химических и энергетических свойств океана, глобального биохимического цикла, биологических ресурсов, гравитационного поля, а также в области геодезии, геологии, картографии. Согласно программе EOS, группировке из первых спутников к 2015 г. предстоит решить следующие задачи:

10-летний прогноз климата;

15-20-месячный прогноз явления Эль-Ниньо;

12-месячный прогноз выпадения дождей в региональном масштабе;

60-дневный прогноз извержения вулканов;

10-14-суточный прогноз погоды;

5-дневный прогноз маршрутов ураганов с точностью 30 км;

1-5-летний экспериментальный прогноз землетрясений.

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.; Земля и Вселенная, 2003, № 6) 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.).

ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ СПУТНИКИ ДЗЗ

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.; Земля и Вселенная, 2000, № 4) и океанографические "Океан-О1 (запускаются с 1979 г. Земля и Вселенная, 2002 № 2). 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.). 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".

Российские спутники дистанционного зондирования Земли и метеорологических наблюдений: 1 — "Ресурс-О1", 2 — "Океан-О1", 3 — "Метеор-3М", 4 — "Сич-1М". Рисунки.

Из-за плохого финансирования, системных просчетов и архаичных системно-конструкторских решений не следует ожидать в обозримом будущем появления новых космических средств ДЗЗ, предусмотренных Федеральной космической программой на 2001-2005 гг. Вместе с тем значительный интерес для мониторинга окружающей среды могут представить украинско-российский КА "Сич-1М", российские "Монитор-Э" (макет спутника запущен 30 июня 2003 г.) и "Канопус-Вулкан" двойного назначения, запуск которых планируется соответственно в 2004 г., 2005 г. и 2006 г. "Сич-1М" предназначен для мониторинга облачных слоев, вертикальных профилей температуры и влажности атмосферы, температуры поверхности океана, ледовых и снежных покровов, биопродуктивности и цветности океана, исследования растительного слоя. В состав аппаратуры "Сич-1 М" входят многозональное сканирующее устройство высокого разрешения МСУ-ЭУ (24 х 34 м), радиолокатор бокового обзора с разрешением 2.5 х 1.3 км, зондирующий оптико-микроволновый сканер МТВ3А-ОК. Прибор МТВ3А-ОК — модификация МТВ3А, установленного на спутнике "Метеор-3М" № 1. В МТВ3А-ОК увеличено число каналов в СВЧ-диапазоне и дополнительно включены оптический, ультрафиолетовый и инфракрасный каналы. По информативности МТВ3А-ОК превосходит совокупность американского SSM/IS и японского AMSR. Данный приборный модуль по сравнению с МТВ3А решает ряд новых целевых задач.

Конструкция МТВ3А-ОК открывает перспективу создания микроспутников ДЗЗ (Земля и Вселенная, 2004, № 2), что весьма актуально в сложившихся условиях российской экономики. К такого рода проектам относится "Канопус-Вулкан", разрабатываемый на базе новых информационных технологий и перспективных космических конструкций. На микроспутнике "Канопус-Вулкан" предполагается установить новый многофункциональный прибор — бортовой измеритель БИК-ГЯ-1, предназначенный для мониторинга и исследований облачного покрова, интегральной влажности атмосферы, водного запаса облаков, интенсивности осадков, вертикальных профилей температуры и влажности атмосферы, скорости и направления приводного ветра, температуры поверхности океана, ледовых и снежных покровов, изменений поверхностного слоя океана, тайфунов и ураганов, явления Эль-Ниньо (Земля и Вселенная, 2000, № 3), растительного покрова, лесных пожаров, температуры и влажности почв.

ПЕРСПЕКТИВЫ СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА

Для обеспечения доступа к материалам ДЗЗ, а также стимулирования их использования на территории России и ближнего зарубежья развернуты наземные сети станций приема и обработки данных с КА "Метеор-3М", "Terra" и "ERS-2", включая приемные центры Федерального космического агентства (Отрадное, Московская обл.), Росгидромета (Обнинск и Долгопрудный Московской обл., Новосибирск), и малых станций, функционирующих в интересах МЧС, Минприроды, Роскартографии и региональных потребителей.

Научная аппаратура для дистанционного зондирования из космоса: а) прибор диагностики атмосферы и океана МТВ3А, установленный на российском КА "Метеор-3М" № 1; б) зондирующий оптико-микроволновый сканер МТВ3А-ОК, которым планируется оснастить перспективный российский микроспутник "Канопус-Вулкан" для мониторинга планеты. Фото ЦКН.

Оперативное управление информационными ресурсами ДЗЗ и предоставление информационных услуг пользователям осуществляет созданная в 2000 г. служба "Оператор", включающая данные детальных и обзорных съемок, абонентское обслуживание и аренду земных приемных станций. Сети приемных станций и "Оператор" образуют Федеральный наземный комплекс приема, обработки и распространения информации (НКПОР) с космических аппаратов ДЗЗ, в котором применяют два режима функционирования:

централизованный — проведение приема, обработки и архивации в наземных центрах Федерального космического агентства и идентификация космических данных пользователями;

территориально-распределенный — проведение приема, обработки, идентификации и архивации космических данных в ведомственных и региональных сетях наземных станций.

Модель российского КА "Канопус-Вулкан" и таблица информационных характеристик его бортового измерителя БИК-ГЯ-1

Выполняемые в России работы по спутниковым системам ДЗЗ создали предпосылки для функционирования отдельных систем экологического и ресурсосберегающего мониторинга. Сегодня функционируют системы спутникового мониторинга лесных пожаров Авиалесоохраны, мониторинга Госкомрыболовства в РФ, а также демонстрационный образец системы обнаружения содержащих наркотические вещества растений, созданный по заказу МВД РФ. Следует отметить, что из-за ограниченного объема данных съемок с отечественных КА в перечисленных системах активно используется зарубежная информация. Вместе с тем при современных социально-экономических условиях страны очевидна необходимость комплексного решения экологических и ресурсосберегающих проблем. Не существует альтернативы организации и осуществлению на базе новых информационных технологий перспективной космической техники государственного мониторинга окружающей среды в соответствии с постановлением Правительства РФ.

При этом, как нам представляется, необходимо решить следующие задачи:

— выполнение работ, предусмотренных Федеральной космической программой как в части космического сегмента, так и по наземному комплексу приема информации (межведомственная неразбериха и отсутствие должной координации со стороны Федерального космического агентства мешают эффективной работе и модернизации наземного комплекса);

— организация регулярного производства и распространение значительного объема данных космических съемок;

— разработка и внедрение в практику мониторинга прогрессивных технологий наблюдения, оценки и прогноза;

— системная интеграция космической системы ДЗЗ и систем оценки состояния и прогноза экологической обстановки.

Последняя проблема носит концептуальный характер. Здесь целесообразно, в определенной степени, воспользоваться опытом американского правительства и NASA, которые в середине 1990-х гг. приняли решение о создании Национальной системы спутникового мониторинга окружающей среды NPOESS.