Исследования Земли из космоса на Российском сегменте

Исследования Земли из космоса
на Российском сегменте МКС.
Обзор работ
Лупян
Евгений Аркадьевич
Саворский
Виктор Петрович
ИКИ РАН
ФИРЭ РАН
9 - 11 апреля 2015г., ИКИ РАН
МНПК «Научные исследования и эксперименты
на МКС»
Секция 3 КНТС
«Исследование Земли из космоса»
Основная цель
Координация разработки, формирования и научнометодического сопровождения программ НПИ и КЭ
по изучению природных ресурсов Земли и
экологическому мониторингу в рамках выполнения
Федеральной космической программы России,
Межгосударственных космических программ и
Программ международного сотрудничества
ИКИ РАН, ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
2
Секция 3 КНТС
«Исследование Земли из космоса»
Приоритетные направления работы
1.
2.
3.
4.
Развитие новых методов и средств наблюдения Земли на
основе определения необходимого научного уровня
космических исследований, их обеспечения
конкурентоспособными научными приборами, программноматематическим оснащением, информационными
возможностями, наземными средствами.
Совершенствование существующих, разработка и создание
новых (перспективных) измерительных приборов и систем
контроля.
Совершенствование методического обеспечения и
проведения экспериментальных исследований.
Развитие информационных технологий для обработки,
долговременного хранения результатов аэрокосмических и
наземных наблюдений, а также для обмена данными
ИКИ РАН, ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
3
Секция 3 КНТС
«Исследование Земли из космоса»
Основные задачи
1. Определение приоритетных направлений исследований и экспериментов в рамках
реализации существующих, планируемых и перспективных космических проектов.
2. Оценка состояния и разработка рекомендаций по аппаратурному обеспечению
программ НПИ.
3. Организация конкурсного отбора заявок на проведение исследований и
экспериментов.
4. Формирование программ НПИ по следующим основным направлениям:
- исследование атмосферы и подстилающей поверхности;
- экологические исследования;
- развитие новых методов и методик дистанционного зондирования Земли;
- калибровка и интеркалибровка измерительной аппаратуры, валидация результатов
обработки экспериментальных данных;
- развитие новых технологий обработки и хранения информации, обмена данными.
5. Оценка состояния и разработка рекомендаций по программно-аппаратному
обеспечению средств обработки и долговременного хранения информации, обмена
данными.
6. Координация работ по развитию информационных технологий для обработки,
долговременного хранения и распространения результатов космических экспериментов.
ИКИ РАН, ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
4
КЭ по направлению
«Исследование Земли из космоса»
Реализовано к 2015 г 4
Всего текущих экспериментов в этапной программе 14
Эксперименты, запланированные на МКС на 2015 г 2
Эксперименты в стадии подготовки с этапами в 2015 г 13
ИКИ РАН, ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
5
Завершенные КЭ
«Диатомея» (2003-2008)
Исследование устойчивости географического
положения и конфигурации границ биопродуктивных
акваторий Мирового океана, наблюдаемых
экипажами орбитальных станций
Данные эксперимента «Диатомея» совместно с
результатами судовых измерений и данными
литературных источников позволили оценить
пространственно-временную изменчивость
важнейших высокопродуктивных акваторий
Северной и Южной Атлантики, Черного и
Азовского морей.
«Русалка» (2010-2012)
Отработка методики определения содержания
углекислого газа и метана в атмосфере Земли с
борта по данным спектрометра ближнего ИК
диапазона
Эксперимент позволил набрать статистику
данных для отработки методики
восстановления концентраций малых
газовых составляющих
«СВЧ-радиометрия» (2011-2013)
Исследование характеристик подстилающей
поверхности, океана и атмосферы по данным СВЧрадиометра РК-21-8
В КЭ использован новый научный прибор многолучевой панорамный СВЧ радиометр,
работающий в дециметровом диапазоне длин
волн, и впервые получены данные по
использованию дециметрового диапазона для
оценки параметров поверхности
«Сейнер» (2009-2014)
Экспериментальная отработка методики
взаимодействия экипажей российского сегмента
Международной космической станции с судами
Рыболовства в процессе поиска и освоения
промыслово-продуктивных районов Мирового
океана
Определены формы, структуры и
морфометрических характеристик
цветоконтрастных образований в заданных
биопродуктивных районах океана
ИКИ РАН, ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
6
КЭ «Диатомея»
Визуально-инструментальные наблюдения
Мирового океана
РГНИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина, ИО РАН, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
Накоплен статистический объем экспериментальной информации для эффективного анализа
состояния океанических экосистем в различных условиях, разработаны прогностические
моделей динамики океанических зон биопродуктивности, выработаны практические
рекомендации по обнаружению акваторий Мирового океана с повышенной биопродуктивностью
[1] Завьялов П.О., Л.И.Копрова, П.В.Виноградов, А.Ю.Калери, Н.А.Арманд, ЮГ.Тищенко, А.А.Грушин, А.Н.Евгущенко. Результаты наблюдений океана
из космоса по программе эксперимента «Диатомея» на РС МКС. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса:
Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов: Сборник научных
статей. Под ред. Е.А.Лупяна и О.Ю.Лавровой. М.: Азбука-2000, 2008, вып.5, т.2, с.90-94.
ИКИ РАН, ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
7
КЭ «РУСАЛКА»
Отработка методики определения содержания
углекислого газа и метана в атмосфере Земли
с борта МКС
ИКИ РАН
Примеры решения
обратной задачи
восстановления
концентрации парниковых
газов О2 , CH4 и СО2
О2
CH4
Сопоставление модельного
спектра LBLRTM и
откалиброванного реального
спектра
СО2
[3] Кораблев О.И., A.Ю.Трохимовский, И.И.Виноградов, А.А.Федорова, А.Ю.Иванов, Ю.К.Калинников, А.Ю.Титов, А.В.Калюжный, A.В.Родин, Е.А.Кострова,
А.А.Венкстерн, В.В.Барке, Ю.В.Смирнов, М.А.Полуаршинов, О.З.Ростэ. Прибор “Русалка” для измерения содержания углекислого газа и метана в
атмосфере с борта Международной космической станции. Оптический журнал, 2011, т.78, №5, с.44-58.
ИКИ РАН, ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
8
КЭ «СВЧ – радиометрия»
Исследование характеристик подстилающей
поверхности, океана и атмосферы по данным
СВЧ-радиометра РК-21-8
ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, СКБ ИРЭ РАН
IRE_ISS-RK21_110715-110731
Карта СВЧ-излучения Земного шара
за период 15-31.07 2011 г.
Карты СВЧ-излучения Африки за три
периода по данным «РК-21-8»
21-29.06.2011г.
15-31.07.2011г.
01-13.08.2011г.
[2] Арманд Н.А., Ю.Г.Тищенко, В.С.Аблязов, А.А.Халдин. Спутниковая СВЧ-радиометрия L-диапазона. Современные проблемы дистанционного
зондирования Земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и
объектов: Сборник научных статей. Под ред. Е.А.Лупяна и О.Ю.Лавровой. М.: Азбука-2000, 2006, вып.3, т.1, с.221-223.
ИКИ РАН, ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
9
КЭ «Сейнер»
Экспериментальная отработка методики
взаимодействия экипажей российского сегмента
Международной космической станции с судами
Рыболовства в процессе поиска и освоения
промыслово-продуктивных районов
Мирового океана
ВНИРО, РГНИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина
0
ДЕКАБРЬ
2011 г.
-5
ЯНВАРЬ
2012 г.
-5
0
0
0
0
ФЕВРАЛЬ
2012 г.
-5
МАРТ
2012 г.
-5
0
АПРЕЛЬ
2012 г.
-5
-10
-10
-10
-10
-15
-15
-15
-15
-15
-15
-20
-10
-20
-20
-20
-20
-20
-25
-25
-25
-25
-25
-25
-30
-30
-30
-30
-30
-30
-35
-35
-35
-35
-35
-35
-40
-40
-40
-40
-40
-40
-45
-45
-45
-45
-45
-45
-50
-100
-95
-90
-85
-80
-75
-50
-70 -100
-95
-90
-85
-80
-75
-50
-70 -100
-95
-90
-85
-80
-75
-70
-50
-100
-95
-90
-85
-80
-75
-70
-50
-100
-95
-90
-85
-80
-75
-70
МАЙ
2012 г.
-5
-10
-50
-100
-95
Динамика аномалий ТПО в районе
ЮВТО с декабря 2011 г. по май 2012 г.
-90
-85
-80
-75
-70
Пример последовательности этапов дешифрирования космических снимков:
а) снимок акватории ЦВА от 29.5.2012 года;
б) обработка снимка и дешифрирование полей взвеси, фитопланктона, градиентов
ЦКО;
в) сопряжение результатов дешифрирования снимка с квизисинхронными полями
ТПО (29.05.–04.06.2012г.) на карте-схеме.
[4] Барканова Т.Б., Ванюшин Г.П., Глубоковский М.К. Космический эксперимент «Сейнер». Рыбное хозяйство, 2012, №4, с.37-38.
ИКИ РАН, ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
10
Реализуемые КЭ
КЭ «Напор-миниРСА»
РКК «Энергия»
Экспериментальная отработка технологии малогабаритного
радиолокатора с синтезированной апертурой на основе
микрополосковых активных фазированных антенных решеток в
интересах решения задач природопользования, экологического
контроля и мониторинга чрезвычайных ситуаций
Этап 2015 года - отработка системы оптических телескопов видеокамер высокого (HRC) и среднего (MRC) разрешения как
дополнительной научной аппаратуры.
КЭ «Дубрава»
МГУЛ
Мониторинг лесных экосистем
Научная аппаратура: штатная фото-видео аппаратура, НА «ФиалкаМВ-Космос», фотоспектральная система ФСС, видеоспектральная
система ВСС
ИКИ РАН, ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
11
КЭ на стадии подготовки научной
аппаратуры
Подготовка к проведению КЭ по направлению
«Исследования Земли из космоса» включает работы
по изготовлению:
 многоцелевой аппаратуры видимого и ИК
диапазонов;
 спектрометров видимого и ИК диапазонов, в том
числе гиперспектрометров;
 средств пассивной СВЧ аппаратуры;
 средств активной СВЧ аппаратуры.
ИКИ РАН, ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
12
Многоцелевая аппаратура видимого и ИК
диапазонов
Шифр
КЭ
Цель КЭ
Научная аппаратура для КЭ
«Климат»
Отработка научно-технических
методик измерения и наблюдения за
изменениями климатообразующих
факторов в атмосфере Земли
(тропосфера, нижняя стратосфера)
с (наблюдения в надир и в лимб
Монохроматические камеры
МИК 555,7 и МИК 630
Мониторинг оптических
характеристик атмосферы и
поверхности земли
Многозональная
оптикоэлектронная цифровая
видеорадиометрическая система
«Видеорадиометр-300», (две зоны
в видимой, одна в ближней
инфракрасной зоны в тепловом
диапазоне длин волн);
«Фон»
ИКИ РАН, ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
13
Спектрометры видимого и ИК диапазонов,
в том числе гиперспектрометры
Шифр КЭ
Цель КЭ
Научная аппаратура для КЭ
«Терминатор»
Изучение и восстановление микроструктуры
мезосферных серебристых облаков.
Исследование изображений, полученных в
четырех участках спектра.
Микрокамеры видимого и ближнего ИК
диапазонов
(420±5, 500±5, 600±5, 760±5 нм)
«Климат»
Отработка научно-технических методик
измерения и наблюдения за изменениями
климатообразующих факторов в атмосфере
Земли (тропосфера, нижняя стратосфера) с
(наблюдения в надир и в лимб
ИК-ФСР высокого спектрального разрешения.
«Ракурс»
Отработка новых методов определения
характеристик атмосферных внутренних
гравитационных волн (ВГВ)
Камера с узкополосным интерференционным
фильтром (762 ±5 нм); блок из двух
фотоприемников для лимбовой съёмки
эмиссионных слоёв в атмосферной полосе (762
нм) и зелёной линии атомарного кислорода
(557,7 нм) в диапазоне высот 80-120 км.
«Дриада»
Измерения содержания углекислого газа CO2 и
метана CH4 в атмосфере для понимания роли
природных процессов и человеческой
деятельности, определяющих атмосферное
содержание CO2 и CH4
ИК спектрометр высокого разрешения +
видеокамера
ИКИ РАН, ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
14
Пассивная СВЧ аппаратура
Шифр КЭ
Цель КЭ
Научная аппаратура для КЭ
«Метрад»
Радиозондирование трехмерной структуры
околоземного пространства и поверхности Земли
с помощью высокостабильных сигналов
навигационных спутников ГЛОНАСС/GPS для
глобального мониторинга ионосферы, атмосферы
и земной поверхности
Приемники радиозатменных и опорных
навигационных сигналов спутников
ГЛОНАСС/GPS
«Ветер»
Разработка методик определения и получение
новых экспериментальных данных о
пространственных характеристиках вектора
скорости приводного ветра и спектра волнения
Мирового океана по измерениям параметра
Стокса микроволнового радиотеплового
излучения морской поверхности
СВЧ радиометры-поляриметры 0,8 и 2,25 см
Определение детальных профилей температуры
и влажности атмосферы при исследовании
генезиса атмосферных катастроф
Микроволновый сканирующий спектрометр
МРС
Детектор молний ДМ предназначен для
обнаружения вспышек молний в полосе
захвата 680 км.
«Конвергенция»
ИКИ РАН, ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
15
Активная СВЧ аппаратура
Шифр КЭ
Цель КЭ
Научная аппаратура для КЭ
«НапорминиРСА»
Разработка и изготовление бортового
комплекса малогабаритного радиолокатора с
синтезированной апертурой в С-диапазона
РСА С-диапазона (несущая частота 5350 МГц),
2 телескопа среднего и высокого разрешения.
«МКС-Глонасс»
Исследование структуры и динамики
ионосферы при помощи комбинированного
применения радиотомо-графического (РТ) и
радио-затменного (РЗ) методов с наземной и
спутниковой регистрацией радиосигналов
Трехканальные приемники радиосигналов с
антеннами L-диапазона, блоки передатчиков 150,
400 и 1067 МГц сигнал от которых принимается
приемниками российской РТ-системы
«Скаттерометр-L»
Экспериментальная отработка методов
скаттерометрии в дециметровом диапазоне
электромагнитных волн для определения
скорости и направления приводного ветра,
параметров ледяного и снежного покровов,
влажности почвы.
Скаттерометр дециметрового диапазона (1,260
ГГц, длина волны λ ~ 24 см)
«МКС РСА (Р)»
Исследование возможностей дистанционного
зондирования земных покровов из космоса с
помощью поляриметрических радиолокаторов
с синтезированной апертурой в диапазоне
длинных дециметровых волн
РСА Р- диапазона (около 70см)
«Радиолокатор»
Измерение дисперсии наклонов морского
волнения, высоты значительного волнения и
скорости приповерхностного ветра в канале
вблизи надирного зондирования
«РЛ-022» - сканирующий радиолокатор СВЧдиапазона (длина волны излучения ≈0,0222 м) с
веерной формой главного лепестка диаграммы
направленности антенны (≈10х300).
ИКИ РАН, ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
16
Сроки реализации
№
КЭ
Диапазон*
1
M, V
2
V
3
V
4
V
5
V
6
M
7
V
«Напор-миниРСА»
Экспериментальная отработка технологии малогабаритного радиолокатора с
синтезированной апертурой на основе микрополосковых активных
фазированных антенных решеток в интересах решения задач
природопользования, экологического контроля и мониторинга чрезвычайных
ситуаций
«Дубрава»
Мониторинг лесных экосистем
«Терминатор»
Наблюдение в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра слоистых
образований на высотах верхней мезосферы - нижней термосферы в
окрестности солнечного терминатора
«Ракурс»
Многоракурсная спектрометрия атмосферных внутренних гравитационных
волн
«Климат»
Отработка технологии космического мониторинга климато-образующих
факторов Земли на базе приборного комплекса для измерения содержания
аэрозолей, озона и парниковых газов в тропосфере и нижней стратосфере.
«МКС- Глонасс»
Радиозондирование ионосферы радиотомографическим и радиозатменным
методами
«Конвергенция»
Определение детальных профилей температуры и влажности атмосферы при
исследовании генезиса атмосферных катастроф
M – микроволновый
V - видимый и ближний ИК
Начало/
Окончание
миссии
Готовность/
Доставка на
МКС
2017 / 2017 р/л
2013 /
2018
(2014/2014) –
оптика
реализуется
2015-2019
-/-
2016 /
2018
2015 / 2016
2017 /
2019
2016 / 2017
2018 /
2020
2018 / 2018
2018 /
2019
2018 / 2018
2018 /
2022
2018 / 2019
КЭ «Напор-миниРСА» включен в программу 43/44 экспедиций на МКС 03-09.2015
КЭ «Дубрава не включен»
ИКИ РАН, ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
17
Сроки реализации
№
Диапазон*
8
V
9
M
10
M
11
M
12
M
13
V
КЭ
«Дриада»
Измерения спектров поглощения земной атмосферы в ближнем
ИК диапазоне и восстановление концентраций парниковых газов
«Ветер»
Определение вектора скорости приводного ветра и спектра
волнения Мирового океана по измерениям параметров Стокса
микроволнового радиотеплового излучения с РС МКС
«Метрад»
Радиозатменный и радиоголографический мониторинг
атмосферы, ионосферы и поверхности Земли
«МКС-РСА(Р)»
Отработка методов дистанционного зондирования земной
поверхности в Р-диапазоне при помощи поляриметрической
радиолокационной станции бокового обзора с синтезированной
апертурой
«Скаттерометр-L»
Использования методов скаттерометрии для мониторинга
морской поверхности
«Фон»
Мониторинг оптических характеристик атмосферы и поверхности
земли
Начало/
окончание
миссии
Instrumentation
readiness/Shipping
to ISS
2019 / 2020
2018 / 2019
2019 / 2020
2018 / 2019
2019 / 2020
2019 / 2019
2019 / 2020
2018 / 2019
2019 / 2020
2019 / 2019
2020 / 2024
2019 / 2019
2021 / 2024
2021 / 2021
«Радиолокатор»
14
V
Измерение дисперсии наклонов морского волнения,
высоты значительного волнения и скорости
приповерхностного ветра в канале вблизи надирного
зондирования
ИКИ РАН, ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
18
Проблемные вопросы
1. Как показывает анализ, поступающие проектные
предложения (заявки на КЭ на РС МКС) не
координированы с текущими отечественными проектами
по ДЗЗ (Исследования Земли из космоса), что приводит к
дублированию работ и распылению средств.
2. При проведении работ (как текущих, так и планируемых)
не учитывается такой фактор, как доступность
получаемых в КЭ результатов как в виде публикаций, так
и в виде наборов полученных данных и результатов их
обработки
3. В проектных предложениях по КЭ на РС МКС не учтена
возможность использования ресурсов зарубежных
партнеров на МКС, которые можно получать в рамках
совместных проектов
ИКИ РАН, ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
19
Пути решения
1. Разработать предложения по проведению экспертизы
поступающих проектных предложений (заявки на КЭ на РС
МКС) с учетом необходимости их координации с
отечественными проектами по ДЗЗ.
2. Разработать предложения по уточнению порядка
публикации результатов КЭ, обеспечивающему
повышение доступности получаемых в КЭ результатов
как в виде публикаций, так и виде наборов полученных
данных и результатов их обработки
3. Разработать механизм информирования российских
участников работ на МКС о возможности использования
ресурсов зарубежных партнеров на МКС, которые можно
получать в рамках совместных проектов
ИКИ РАН, ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
20
Спасибо за внимание!
ИКИ РАН, ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
21