28 февраля 1967 г. был осуществлен запуск очередного метеорологического ИСЗ – «Космос-144», а 27 апреля 1967 г. – ИСЗ «Космос-156», Эти два ИСЗ и составили советскую метеорологическую космическую систему «Метеор», началом функционирования которой является 27 апреля 1967 г. Орбиты ИСЗ имели высоту около 630 км и периоды обращения около 97 мин. Наклонение i = 81,2° вместо 65°, которое имели все предшествующие метеорологические ИСЗ. Состав научной бортовой аппаратуры ИСЗ был тот же, что у ИСЗ «Koсмос-122». С марта 1969 г. советская метеорологическая космическая система начала восполняться ИСЗ, носящими название «Метеор». А с 29 апреля 1971 г. была изменена высота полета ИСЗ: они стали запускаться на орбиты высотой около 900 км.
Восполнение системы «Метеор» очередным ИСЗ осуществляется из такого расчета, чтобы в ее составе постоянно находились 2 – 3 исправных метеорологических ИСЗ. Кроме 2 – 3 ИСЗ, в состав системы «Метеор» входит сеть наземных пунктов приема, обработки и распространения спутниковой информации, размещённых по всей территории страны. Как правило, все они совмещены с сетью наземных гидрометеорологических наблюдений. Кроме того, имеется служба контроля состояния бортовых систем ИСЗ и управления их работой. В ее составе командно-программные станции, станций траекторных измерений и пункты приема служебной информации,
Начиная с запуска первых метеорологических ИСЗ и вплоть до настоящего момента конструкция отдельных систем наблюдений, а также комплекс технических средств метеорологической космической системы непрерывно совершенствуются. В соответствии с программой дальнейшего развития космической метеорологической системы с 1974 г, в нашей стране начали запускаться экспериментальные метеорологические ИСЗ «Метеор», а с 1975 г.– усовершенствованные оперативные метеорологические ИСЗ второго поколения «Метеор-2».
С этого времени в космическую метеорологическую систему «Метеор» входят два вида метеорологических ИСЗ; оперативные и экспериментальные. Оперативные ИСЗ являются составной частью общей системы гидрометеорологических наблюдений. Они оснащены комплексом однотипной аппаратуры. Экспериментальные метеорологические ИСЗ используются для проведения поисковых научно-исследовательских работ, направленных на расширение состава гидрометеорологических наблюдений и наблюдений, необходимых для исследования природных ресурсов Земли, а также для совершенствования методов наблюдений. Состав аппаратуры измерительного комплекса этих ИСЗ является однотипным.
Метеорологические ИСЗ обоих видов представляют собой автоматические космические обсерватории, снабженные сложным электротехническим, электро- и оптикомеханическим и радиоэлектронным оборудованием, герметически изолированные от внешней среды. Они снабжены аппаратурой для оперативного и регулярного получения метеорологической информации со всего земного шара и служебной аппаратурой, обеспечивающей нормальные условия работы всех бортовых систем. Они относятся к космическим аппаратам с активной системой ориентации корпуса. Такая автономная электромеханическая система обеспечивает постоянную точную ориентацию ИСЗ относительно орбитальной системы координат и тем самым постоянное направление на Землю приемных устройств метеорологической аппаратуры. Точная ориентация существенно упрощает географическую привязку метеоинформации при ее наземной обработке.
Бортовая энергетическая установка, используя солнечные батареи, обеспечивает электроэнергией всю аппаратуру спутника.
В настоящее время можно выделить ряд принципиальных положений, касающихся типов бортовой аппаратуры метеорологических ИСЗ, несмотря на отдельные различия ее состава, технических характеристик и исполнения. Весь комплекс бортовой спутниковой аппаратуры, как и у их предшественников, состоит из группы научной и служебной аппаратур. Научная аппаратура предназначена для получения необходимой метеорологической информации о состоянии атмосферы и земной поверхности. Служебная аппаратура предназначена для нормального функционирования научной аппаратуры и всего ИСЗ в целом.
В соответствии с информацией, регистрируемой метеорологическими ИСЗ, научная аппаратура может быть условно разделена на две группы. К первой относится аппаратура, которую можно назвать обзорной. Она предназначена для получения изображения облачности, ледяных и снежных полей и подстилающей поверхности. Ко второй группе относится аппаратура, которую условно можно назвать измерительной, поскольку она предназначена для получения количественных характеристик или абсолютных величин собственного излучения системы Земля – атмосфера.
Следует отметить, что такое деление научной аппаратуры является условным, поскольку одна и та же научная система может быть одновременно как обзорной, так и измерительной.
На метеорологических ИСЗ в составе обзорной аппаратуры имеется аппаратура, работающая по принципу оптико-механического сканирования, который позволяет осуществлять поэлементный просмотр подстилающей поверхности в пределах достаточно узкого телесного угла, называемого углом поля зрения прибора. Элементарный угол зрения образует конус, сечение которого поверхностью земного эллипсоида определяет элементарную площадку земной поверхности, называемую разрешением прибора. Перемещение элементарного поля зрения в плоскости, перпендикулярной плоскости орбиты обеспечивает просмотр полосы подстилающей поверхности.
Такое перемещение (сканирование) элементарного поля зрения осуществляется с помощью оптико-механической системы, основу которой составляет зеркало, совершающее колебательное или вращательное движение. Благодаря этому движению зеркала обеспечивается перемещение пятна поля зрения прибора по поверхности Земли. Полет ИСЗ вдоль орбиты с одновременным сканированием обзорной аппаратуры в направлении, перпендикулярном траектории полета, обеспечивает непрерывный просмотр полосы подстилающей поверхности, ширина которой зависит от максимального угла отклонения сканирующего зеркала от направления в надир высоты орбиты спутника.
Оперативный метеорологический спутник «Метеор-2», как уже отмечалось, представляет собой второе поколение метеорологических ИСЗ и обладает более высокими характеристиками по сравнению с ИСЗ «Метеор» первого поколения. Из нее видно, что на этих ИСЗ установлены три типа сканирующей обзорной аппаратуры, работающей в различных участках спектра: в видимом (0,5 – 0,7 мкм) и инфракрасном (8 – 12 мкм и 11,10 – 18,70 мкм).
Первый тип аппаратуры (ТВ-) предназначен для получения изображения облачности, ледяных и снежных полей, а также других видов подстилающей поверхности. Поскольку эти объекты обладают различными коэффициентами отражения, то это позволяет получать изображения с широким диапазоном полутонов. На оперативных спутниках «Метеор-2» телевизионная аппаратура представлена в двух видах:
1. Сканирующий телефотометр для автоматической (прямой) передачи изображения облачности, т. е. для получения (на оперативной основе) региональных изображений непосредственно того района, над которым пролетает ИСЗ и где установлена наземная аппаратура приема. Данный режим работы называется режимом непосредственной передачи изображений.
2. Сканирующая ТВ-аппаратура, предназначенная для получения глобальных изображений (т. е. для всей дневной стороны Земли). Этот режим работы называется режимом запоминания информации, ТВ-аппаратура ИСЗ «Метеор-2» дает возможность различать облачность на фоне подстилающей поверхности при условии достаточной освещенности в районе съемки (при высоте солнца над местным горизонтом более 5°).
Для обнаружения и прослеживания облачности на теневой стороне Земли используется ИК-аппаратура, работающая в участке спектра 8 – 12 мкм. Одновременно с этим ИК-аппаратура на всех метеорологических ИСЗ также успешно работает по съему информации и на освещенной стороне Земли. Другими словами, с помощью ИК-аппаратуры осуществляется глобальный съем информации, как на теневой, так и на освещенной части каждого рабочего витка. Яркость (тон) изображения какого-либо объекта на инфракрасном снимке определяется главным образом температурой излучающей поверхности. Облака, имеющие чаще всего более низкую температуру, чем подстилающая поверхность, представляются на инфракрасных снимках яркими зонами на фоне серой или темной подстилающей поверхности.
Рис. 4. Общий вид усовершенствованного метеорологического ИСЗ «Метеор-2»: 1 – панели солнечных батарей; 2 – экран системы терморегулирования; 3 – датчики системы ориентации солнечных батарей; 4 – корпус герметического отсека; 5 – приемопередающие антенны; 6 – приборный отсек с научной аппаратурой
Как уже отмечалось, ИСЗ «Метеор-2» запускаются на приполярные орбиты, близкие к круговым, имеющие высоты около 900 км. Углы наклона их плоскостей к плоскости экватора составляют 81,2°. За один оборот вокруг Земли ИСЗ «Метеор-2» может снимать ТВ- и ИК-информацию в режиме запоминания с территории, составляющей около 20% поверхности земного шара. Из опыта использования спутниковой информации известно, что в интересах службы погоды она должна собираться с территории всего земного шара несколько раз в сутки. Это можно сделать только с помощью системы из нескольких одновременно функционирующих оперативных метеорологических ИСЗ.
Дело в том, что оперативный ИСЗ, выведенный на орбиту высотой около 900 км, имеет период обращения Т = 102,5 мин. За это время Земля успевает повернуться вокруг своей оси на угол около 25,6°, что соответствует линейному смещению около 2800 км на экваторе и около 1500 км на широте Москвы. В то же время ширина полосы обзора бортовой научной аппаратуры ИСЗ «Метеор-2», равняется для ТВ-аппаратуры 2100 и 2200 км, а для ИК-аппаратуры 2600 км. Это значительно меньше межвиткового смещения проекции орбиты, ИСЗ на экваторе. Следовательно, с помощью одного ИСЗ «Метеор-2» нельзя без пропусков в экваториальной зоне «осматривать» всю поверхность Земли.
При создании метеорологической системы требуется, чтобы плоскости орбит входящих в нее ИСЗ были определенным образом разнесены по долготам восходящих узлов. Так, например, при создании системы из двух ИСЗ восходящие узлы их орбит должны быть разнесены на 90 – 100° по долготе на экваторе, а при создании системы из трех ИСЗ – на 60°, Кроме того, известно, что через некоторое время после запусков ИСЗ вследствие прецессии орбит, о чем говорилось ранее, их проекции на земную поверхность будут сходиться вместе или, наоборот, расходиться на расстояния, более допустимых. В результате этого ИСЗ будут фотографировать одну и ту же местность или оставлять непросмотренными значительные территории.
Такое нежелательное явление возникает из-за разных высот орбит, на которые выводятся ИСЗ. Чтобы избежать это явление, необходимо после запусков ИСЗ проводить коррекцию их орбит. Для этой цели на борту метеорологических ИСЗ должны быть установлены специальные корректирующие двигательные установки, позволяющие изменять высоту орбиты ИСЗ до необходимых значений.
 Рис. 5. Схема взаимного расположения ИСЗ системы «Метеор»
|
Одним из таких типов корректирующих двигателей является ионноплазменный двигатель, создающий тягу за счет высоких скоростей излучаемой двигателем плазмы. Такой двигатель впервые был установлен на метеорологическом ИСЗ «Метеор», запущенном 29 декабря 1971 г. С помощью двигательной установки, которая была включена с 14 по 22 февраля 1972 г., была увеличена высота орбиты ИСЗ на 16,5 км с целью доведения количества витков, совершаемых им в течение суток, до 14. Последнее позволило в дальнейшем осуществлять съем метеорологической информации с помощью этого ИСЗ «Метеор» строго с одних и тех же районов земного шара и почти в одно и то же время суток, что очень удобно для прогноза погоды.
Расчеты и многолетняя практика работы показала, что в составе космической метеорологической системы практически достаточно иметь два оперативных ИСЗ и один-два экспериментальных. С помощью двух оперативных ИСЗ, плоскости орбит которых по экватору отстоят друг от друга примерно на 90 – 100°, система позволяет в течение суток дважды собирать информацию примерно с 80% поверхности Земли. При этом каждый из районов планеты наблюдается с интервалом около 6 ч. Автоматическая (прямая) передача ТВ- и ИК-изображений может приниматься во время пролета ИСЗ в зоне радиовидимости наземных пунктов, оснащенных простейшей аппаратурой и расположенных в любой точке земного шара.
Зона уверенного приема такой информации имеет радиус около 2500 км. Это позволяет любому пункту осуществлять прием информации с каждого ИСЗ, как правило, на двух витках днем и на двух витках ночью. За один сеанс съема информации, который продолжается в среднем около 10 мин, принимается информация с территории, равной 2100 × 4500 = 9 450 000 км2.
В последние годы в нашей стране и за рубежом уделяется большое внимание исследованию природных ресурсов и окружающей среды с помощью космических средств. Так, у нас для таких исследований используются, помимо других средств, и экспериментальные метеорологические ИСЗ «Метеор». Как уже отмечалось, их применяют для проведения поисковых научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на расширение состава гидрометеорологических наблюдений и совершенствование методов их получения, а также для получения информации, необходимой для исследования природных ресурсов Земли и метеорологической информации для нужд оперативной службы погоды.
Первый ИСЗ этой серии, «Метеор» (№ 18), был выведен 9 июля 1974 г. на орбиту, близкую к круговой, имеющую высоту около 900 км. Угол ее наклона к плоскости экватора составлял 81,2°. Второй экспериментальный метеорологический ИСЗ, «Метеор» (№ 25), был запущен 15 мая 1976 г. на орбиту с такими же параметрами, что и первый. Начиная с 1977 г. ИСЗ этой серии стали запускаться на солнечно-синхронные орбиты со средней высотой полета около 650 км и наклонением плоскости орбиты к плоскости экватора около 98°. Первым из них был ИСЗ «Метеор» (№ 28), запущенный 29 июня 1977 г. Всего на 15 сентября 1983 г, было запущено 7 ИСЗ этой серии.
На борту экспериментальных метеорологических ИСЗ «Метеор» устанавливается штатная и экспериментальная аппаратура (состав последней на каждом ИСЗ неоднороден). Главными источниками информации в штатном радиотелевизионном комплексе ИСЗ этой серии, служат многоканальные сканирующие устройства малого (МСУ-М) и среднего (МСУ-С) разрешения. Они передают изображения в видимом и ближнем ИК-диапазонах спектра е разрешением на местности порядка 1 км (МСУ-М) и несколько сотен метров (МСУ-С). Аппаратура для первых двух ИСЗ этой серии рассчитывалась на высоту орбиты около 900 км, а на все последующие ИСЗ, запускаемые на солнечно-синхронные орбиты, – на высоту орбиты около 650 км. При этом пропорционально уменьшилась полоса ее захвата и улучшилось разрешение на местности. По принципу действия эти сканирующие устройства являются оптико-механическими системами с однострочной разверткой и с одноэлементными приемниками, кадровая развертка у которых осуществляется за счет движения ИСЗ. Аппаратура МСУ-М работает в четырех спектральных диапазонах, а аппаратура МСУ-С – в двух.
На первых четырех ИСЗ устанавливалась штатная ИК-аппаратура «Ласточка-65» для получения информации, необходимой для совместного анализа результатов, полученных с помощью трехканального микроволнового радиометра (СВЧ-аппаратура). Состав экспериментальной бортовой аппаратуры ИСЗ этой серии был разнообразным: например, спектрометр-интерферометр (СИ-аппаратура), разработанный и изготовленный в ГДР, устанавливался на первых четырех ИСЗ, а трехканальный микроволновой радиометр (СВЧ-аппаратура) – только на первых трех ИСЗ.
На борту ИСЗ «Метеор» (№ 18) была установлена радиотеплолокационная поляризационная аппаратура, работающая на длине волны 0,8 см. Сканирующий ИК-поляриметр, работающий в диапазонах 1,5 – 1,9 и 2,1 – 2,5 мкм, был установлен только на ИСЗ «Метеор» (№ 25). На ИСЗ «Метеор» (№ 31) (этот ИСЗ, названный «Метеор-Природа», запущен 10 июля 1981 г.) был установлен штатный радиотелевизионный комплекс и экспериментальный трехканальный микроволновый радиометр, а также комплекс научной аппаратуры, разработанный и изготовленный специалистами НРБ по программе «Болгария-1300», В состав аппаратуры вошли многозональный спектрометр, работающий в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра, одноканальный микроволновый радиометр и вычислительная система для регистрации и предварительной обработки информации.