Сучасні методи супутникового моніторингу океанів

У попередній частині цього матеріалу розповідалась історія виникнення супутникової океанографії: як від перших досліджень водних ресурсів з борту американської орбітальної станції Skylab у середині 1970-х років людство дійшло до розміщення компактних чутливих супутникових сенсорів на кшталт американсько-французького космічного апарата TOPEX/Poseidon. Останній став відправною точкою для старту взаємодії американського NASA з французьким Національним центром космічних досліджень (Centre National d’Études Spatiales, CNES) щодо розбудови й запусків нової генерації океанографічних супутників, які започаткували найбільш довготривале океанографічне дослідження, що безперервно триває вже понад 30 років. Продовження теми розкриває публікація видання MaxPolyakov.space.

Три ітерації успіху: супутники серії Jason

Після успішного вводу в експлуатацію TOPEX/Poseidon у NASA та CNES почали міркувати над запуском нових океанографічних супутників, схожих на спостерігача, що вже оперує на орбіті. Основною метою додаткового виводу подібних апаратів на земну орбіту стало забезпечення безперервності спостережень за підвищенням рівня світового океану. Так з’явилася концепція супутникової серії Jason, яка в майбутньому виросте до трьох самостійних місій.

Основним завданням Jason стало покращення точності вимірів висоти світового океану. Цього насправді вдалося досягти: коли 7 грудня 2001 року перший Jason дістався орбіти на ракеті-носії Delta II, він одразу ж став найбільш чутливим океанографічним супутником у світі — точність його виміру склала менше 2,5 см (порівняно з 4,2 см, які надавав TOPEX/Poseidon).

В арсеналі Jason-1 мав п’ять інструментів, за допомогою яких проводив свої океанографічні дослідження:

1. Jason Microwave Radiometer (JMR) — мікрохвильовий радіометр корегував рівень атмосферної водяної пари.
2. Poseidon-2 — удосконалений 2-частотний радар-висотомір (Ku та C-діапазон), що забезпечив вищу точність, ніж у Poseidon-1, встановленого на TOPEX/Poseidon.
3. DORIS — доплерівська система для визначення орбіти в реальному часі.
4. GPSP — приймач GPS для точного позиціонування.
5. Laser Retroreflector Array (LRA) — лазерний ретрорефлектор для наземного калібрування супутника.

Приблизна вартість Jason-1 становила $135 млн. Цю суму NASA й CNES розподілили поміж собою нерівномірно: американці надали проєкту понад $90 млн, тоді як французи обмежилися лише $45 млн. До того ж Jason-1 став одним із перших океанографічних супутників, до проєкту якого долучилися Національне управління океанічних і атмосферних досліджень США (NOAA) та Європейська організація з експлуатації метеорологічних супутників (EUMETSAT).

Обидві установи приєдналися до місії не як розробники, а як основні споживачі інформації, зібраної Jason-1, завдяки чому вдалося суттєво підвищити точність метеорологічних прогнозів, що спиралися на дані спостережень. Участь у програмі NOAA й EUMETSAT одразу перевела статус космічної місії Jason-1 із суто дослідницького в оперативний, дозволивши користувачам з усього світу отримувати найбільш точну інформацію щодо морської погоди.

Варто пам’ятати, що супутник Jason-1 опинився на орбіті, коли там у активному статусі все ще перебував TOPEX/Poseidon. NASA та CNES зробили це спеціально для того, щоб забезпечити безперервність супутникових спостережень. Крім того, додаткова користь полягала і в проведенні спільної тандемної місії двох океанографічних супутників. Тому Jason-1 зразу вивели на ту ж робочу орбіту, де працював TOPEX/Poseidon. Після орбітального наближення розпочалася спільна тандемна місія супутників, що тривала впродовж восьми місяців. TOPEX/Poseidon головував у цій орбітальній процесії, а Jason-1 слідував точно за ним на відстані приблизно 70 секунд. Подібна конфігурація дозволила обом супутникам пролітати над тими самими ділянками океану з невеликою різницею в часі.

Передусім таке орбітальне рандеву на самому початку космічної місії було необхідне для калібрування й валідації Jason-1. Хоча супутник і був спроєктований за передовими технологіями свого часу, його інструменти мали налаштовуватися в режимі реального орбітального польоту. Саме тому його калібрування відбувалося на основі вже перевірених налаштувань TOPEX/Poseidon. Політ у тандемі дозволив порівнювати вимірювання обох супутників на однакових ділянках океану з точністю до кількох міліметрів. Це давало можливість виявити й коригувати будь-які відмінності у роботі дослідницьких інструментів на обох апаратах.

За час тандемної місії нарешті здобули уточнені відомості про океанічні припливи, зокрема про їхнє розсіювання. Виявилося, що близько третини припливної енергії на планеті розсіюється не на мілководді, як це вважалося раніше, а у глибоких океанічних водах. Сумісна праця двох супутників також дозволила побудувати нові комп’ютерні моделі океану, які відіграли ключову роль у кліматичному прогнозуванні. Після успішного калібрування у серпні 2002-го Jason-1 перестав переслідувати свого напарника і вийшов на власну окрему орбіту, а TOPEX/Poseidon продовжував працювати до жовтня 2005 року.

У серпні 2008-го на орбіту вивели другий супутник проєкту Jason, який назвали Ocean Surface Topography Mission (OSTM). Як і перший номер, він теж був продуктом колаборації чотирьох провідних учасників, де NASA та CNES виступали у ролі замовників, а NOAA й EUMETSAT були основними користувачами супутникових даних.

Головним підрядником проєкту стала французька Thales Alenia Space (яка раніше на замовлення CNES побудувала Jason-1). Аерокосмічна компанія розробила супутникову шину Proteus, на ній розташувалися всі системи й дослідницьке обладнання OSTM/Jason-2. Thales Alenia Space створила й основний прилад супутника — радіолокаційний висотомір Poseidon-3, який став наступною ітерацією висотомірів, вперше встановлених на TOPEX/Poseidon. Окрім нього, на борту розмістилися: покращена версія мікрохвильового радіометра (AMR); оновлені системи визначення орбіти та точного позиціонування супутника: DORIS, GPSP, LRA, якими раніше був обладнаний і Jason-1.

Супутникова місія OSTM/Jason-2 нагадувала свою попередницю, розпочавши з фази перехресного калібрування, яке відзначалось проведенням тандемної місії з Jason-1. Після цього космічні апарати були розведені на різні орбіти (фаза переплетеної орбіти), але таким чином, щоб орбіта Jason-1 проходила посередині між основними трасами Jason-2. Так обидва супутники разом охоплювали вдвічі більше території, аніж кожен самотужки, та здійснювали вимірювання приблизно за 150-160 км один від одного. Подібна методологія дозволила краще вивчати невеликі океанічні вихори (eddies) та інші мезомасштабні явища. Варто зазначити, що стратегія використання двох супутників для взаємної перевірки та подальшого розширення покриття стала стандартною практикою для місій серії Jason (Jason-2, Jason-3), а також Sentinel-6, що слідував за ними.

Незабаром після того як Jason-1 звели з орбіти 1 липня 2013 року, NASA зі CNES почали розробку третього океанографічного супутника проєкту під назвою Jason-3. Конструктивно новий супутник майже повністю повторював другий номер і відрізнявся від нього лише наявністю удосконаленої моделі радіочастотного висотоміра — Poseidon-3B.

На борту супутникової шини Proteus встановили декілька нових експериментальних приладів, серед них і телескоп легких частинок (Light Particle Telescope, LPT) розробки Космічного агентства Японії (JAXA). Прилад призначався для вимірювання радіаційного середовища навколо супутника. Другим експериментальним обладнанням на борту Jason-3 став французький прилад ChaRacterization and Modeling of ENvironment (CARMEN), що досліджував вплив космічної радіації на високоточний супутниковий осцилятор DORIS. Запуск Jason-3 відбувся 17 січня 2016 року. Опісля шестимісячної тандемної місії з Jason-2 обидва супутники перейшли на різні орбіти, за аналогією з попередніми місіями.

Наразі Jason-3 продовжує свої спостереження на орбіті з 10-денним циклом. Він став завершальним супутником серії Jason, підсумовуючи десятиріччя плідної співпраці NASA зі CNES у дослідженнях рівня світового океану й інших чутливих параметрів. Квінтесенцією цього співробітництва став запуск нового океанографічного супутника — Sentinel-6A Michael Freilich, що відбувся 21 листопада 2020 року.

Розкриття можливостей SAR для цілей супутникової океанографії

Попри те, що концептуально новий Sentinel-6A Michael Freilich був подібний до Jason-3 і мав виконувати такі ж завдання, технологічно це був зовсім інший супутник. Передусім французький CNES, що брав участь у розбудові попередніх Jason, поступився своїм місцем Європейському космічному агентству (ESA). Колективний європейський космос одразу гарантував новому проєкту стрімкий розвиток, адже бюджети всіх космічних держав Європи значно перевищували бюджет однієї тільки Франції.

По-друге, змінився основний підрядник. Замість Thales Alenia Space тепер головним конструктором виступив аерокосмічний концерн Airbus Defence and Space, а саме, його німецький підрозділ. Та головною відмінністю був новий радіочастотний висотомір — Poseidon-4, який відтепер міг працювати у режимі радара із синтезованою апертурою (SAR).

Отже, пам’ятаємо, що перший SAR-супутник для цілей океанографії був запущений ще 1978 року. Йдеться про Seasat-1, про який ми розповідали у першій частині цієї статті. Але за 47 років технологія SAR зробила якісний крок вперед, через що нові типи сенсорів могли забезпечити надчітку якість зображення, яка до того ж не залежала від погодних умов чи денно-нічних циклів. Особливо добре новий сенсор проявив себе під час моніторингу вод у прибережних зонах, де попередні супутники спіткали труднощі через надто високий рівень шуму (своєрідне “забруднення”) сигналу, що надходить із суходолу.

Мікрохвильовий радіометр AMR-C, за допомогою якого Sentinel-6A вимірює вміст водяної пари в атмосфері Землі, теж удосконалили. Отримані дані використовуються для корекції затримки сигналу висотоміра, невідворотної внаслідок проходження крізь земну атмосферу. Саме завдяки корекції за допомогою AMR-C супутнику вдається досягти міліметрової точності вимірювання.

Іншим нововведенням стала Global Navigation Satellite System — Radio Occultation (GNSS-RO), яка користувалася сигналами від GPS та Galileo для вимірювань профілю температури й вологості в атмосфері Землі. Це сприяло вдосконаленню метеорологічних прогнозів, які надавав супутник. За дотримання правильного орбітального розташування Sentinel-6A Michael Freilich відповідають прилади точного визначення орбіти (POD). Зокрема, серед них інші приймачі GNSS, система DORIS та Laser Retroreflector Array (LRA), яка раніше працювала на океанографічних супутниках серії Jason. Усі разом ці інструменти допомагають Sentinel-6A максимально точно підтримувати задану орбітальну траєкторію.

Супутникова місія Sentinel-6A є ключовою частиною програми Copernicus, головна мета якої полягає у забезпеченні вільного відкритого доступу до глобальних високоточних даних для моніторингу й управління навколишнім середовищем. Саме тому програма є ключовою для підтримки європейської політики у сферах захисту клімату й організації безпеки при виникненні надзвичайних ситуацій природного та техногенного характеру.

Океанографічному супутнику Sentinel-6A Michael Freilich залишилося зовсім недовго виконувати свою місію на самоті. Орієнтовно у 2026 році до нього має приєднатися супутник-близнюк, який у подальшому замінить основний апарат, коли його місія дійде фіналу. Запланований термін експлуатації супутника становить 5,5 років, втім, за аналогією із попередніми місіями, напевне, його мають пролонгувати включно до 2030-го. І раптом навіть Sentinel-6A втратять раніше через якусь технічну аномалію чи програмний збій, безперервність океанографічних спостережень гарантована, адже на орбіті все ще залишається хоча й менш точний, але досі активний Jason-3.

Нові методології спостереження та інновації останніх років

Принципи роботи супутників проєкту Jason та Sentinel-6 досить сильно схожі між собою. Проте не всі супутники, на сьогодні зосереджені на моніторингу й вивченні вод світового океану і його геоїд, працюють однаково. Хорошим прикладом того, як подібні дослідження можна проводити в інший спосіб, є супутникова місія Surface Water and Ocean Topography (SWOT), виведена на орбіту у грудні 2022 року.

SWOT є результатом співпраці одразу чотирьох космічних агенцій — це вже згадані вище NASA і CNES, а також Канадське космічне агентство (CSA) і Космічне агентство Великої Британії (UKSA). Головна ключова відмінність SWOT від проєктів типу Jason та Sentinel-6 полягає у наявності інноваційного інтерферометра KaRIn. Тоді як одиночні альтметри типу Poseidon здійснювали спостереження тільки під прямою траєкторією прольоту супутника, інтерферометр на SWOT має одразу два активні радари, розташовані на обох кінцях 10-метрової штанги. Таке технологічне рішення дозволяє радарам посилювати радіолокаційні імпульси, які під певним кутом відбиваються від водної поверхні.

Замість одного вимірювання на приймальну антену радарів KaRIn надходять одразу два відбиті сигнали, які потім накладаються один на одного (інтерферують). Аналізуючи різницю фаз між цими сигналами, вчені можуть створити двовимірну топографічну мапу поверхні води з дуже високою деталізацією. Апарат оснащений і класичним радіовисотоміром Nadir, направленим просто вниз, під супутник. Деякі візуалізації SWOT комбінують дані з KaRIn та Nadir, отримуючи одну загальну картину радіочастотних спостережень.

Технологія KaRIn дозволяє вимірювати ділянки завширшки до 120 км за один прохід супутника над зоною зацікавлення. Це у сотні разів більше, ніж за використання однонаправлених радіовисотомірів. Подібний підхід особливо важливий для цілей супутникової океанографії, адже дозволяє покривати глобальний океан і річки значно швидше за наявні аналоги на кшталт Jason і Sentinel-6.

Загальна вартість місії SWOT оцінюється приблизно в $1,2 млрд, з них левова частка коштів надходить з бюджету NASA. Обробкою даних із супутника займаються одразу дві провідні установи: Лабораторія реактивного руху (JPL) NASA та Лабораторія космічних досліджень і океанографії (LEGOS) CNES. За допомогою аналізу даних та їхньої подальшої архівації персонал створює найбільш детальні мапи океанічних течій та гідрографічних систем у всьому світі. Всього за три роки своєї орбітальної місії SWOT уже надав сотні гігабайтів нових даних. Зокрема, деякі з них відкрили шлях до кращого розуміння взаємодії між прісними й солоними водами та їхнього впливу на клімат.

Свої проєкти з супутникової океанографії NASA розробляє у співпраці з NOAA. У 2032 році організація з дослідження океанів планує запустити серію супутників Geostationary Extended Observations (GeoXO), покликаних замінити сучасні метеорологічні апарати серії Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES-R). Хоча геостаціонарні GOES-R не є океанографічними супутниками у повному розумінні цього слова (їхній інструментарій зосереджений на вимірюваннях температури поверхні океану та швидкості вітру), три нові зонди GeoXO мають ґрунтовно розширити саме океанографічну компоненту. Задля цього їх оснастять інноваційними інструментами, що суттєво розширять область океанічних досліджень:

• Ocean Color Instrument (OCX) — перший інструмент такого штибу, що має розміститися на геостаціонарній орбіті (GEO). Головне завдання ОСХ — моніторинг кольору світового океану, який супутник здійснюватиме що 15 хвилин. Отримані дані допоможуть відстежувати концентрацію хлорофілу, який є одним із основних індикаторів фітопланктону. Подібні дослідження є критично важливими для розуміння екосистеми світового океану. Пристрій OCX також збиратиме відомості щодо вмісту у воді зважених частинок (своєрідний показник якості води) та розчинених у ній органічних речовин. Інструмент допоможе науковцям відстежувати забруднення океанічних вод: він з великою точністю фіксуватиме нафтові розливи, шкідливе цвітіння водоростей і надаватиме загальну інформацію щодо продуктивності тих або інших ділянок світового океану.
• Imager і Sounder. Хоча попередня серія GOES-R уже була оснащена подібними інструментами, супутники GeoXO міститимуть значно вдосконалені їхні версії, які дозволять отримувати точніші дані про атмосферну вологу й інтенсивність опадів, що є ключовим для прогнозування повеней і посух.

Розташування на геостаціонарній орбіті (35 000+ км), тобто значно вище тієї, де оперують супутники Sentinel-6 та Jason, дозволить угрупованню GeoXO забезпечити безперервний моніторинг прибережних вод, лиманів і великих озер Західної півкулі, щоб допомогти краще керувати водними ресурсами та швидко реагувати на надзвичайні ситуації.

Кожен супутник майбутнього сузір’я GeoXO матиме на меті пильне спостереження за певною частиною Західної півкулі, завдяки чому буде забезпечене її повне й безперервне покриття. GeoXO East (має дістатися орбіти першим у 2032 році) відстежуватиме погодні явища на кшталт ураганів над східною частиною США та Атлантичним океаном. GeoXO West зосередиться на моніторингу погодних систем, лісових пожеж та океанічних явищ у західній частині США й Тихому океані. GeoXO Central надаватиме додаткові дані про повітря та кліматичні умови для центральних регіонів, посилюючи спостереження.

Серія GeoXO, за планом, має складатися з трьох апаратів, що працюватимуть на різних орбітальних площинах та обіцяють стати одними з найбільш довговічних метеорологічних супутників у розпорядженні NOAA. Наразі очікується, що вони перебуватимуть на орбіті близько 22 років, починаючи з 2032 до 2055 року включно, з можливістю продовження терміну їхньої дії.

Головним підрядником проєкту GeoXO обрано Lockheed Martin, з якою NASA від імені NOAA вже встигло укласти контракт на рекордну суму в $2,27 млрд. Окремим пунктом в контракті зазначено, що, окрім будівництва запланованих трьох супутників, компанія за запитом NOAA може побудувати ще чотири екземпляри, таким чином довівши загальний парк моніторингових GeoXO до семи космічних апаратів.

Деякі приватні ініціативи та установи сьогодні сконцентровані й на вирішенні проблеми засмічення океанів. Так, некомерційна організація The Ocean Cleanup використовує супутникові дані для моделювання шляхів пересування сміття, щоб ефективно керувати своїми операціями з очищення водойм. Їхні моделі враховують океанічні течії, вітри та інші дані відстеження, аби прогнозувати напрямок руху пластикового мотлоху.

Більшість концептуальних інновацій у супутниковій океанографії наразі пов’язані з активним впровадженням моделей на базі штучного інтелекту (ШІ), які надають для роботи із зображеннями нові методи оброблення даних спостереження. Однією з них є методологія злиття (або Fusion), що дозволяє ШІ-моделі об’єднувати дані спостереження з кількох різних супутників. Замість того щоб покладатися лише на один супутник, наприклад Jason-3, учені комбінують дані одразу з чотирьох: Jason-3, Sentinel-6, Sentinel-3 і CryoSat-2. Метод дозволяє здобувати вимірювання з набагато вищою просторовою та часовою роздільною здатністю та створити більш повну картину океанічної топографії, уникаючи похибок і програмних помилок. Алгоритми машинного навчання (ML) на кшталт Deep Learning також помічні у процесі очищення зображення від зайвого шуму й похибок, що виникають внаслідок проходження відбитого сигналу крізь земну атмосферу. Фахівці з NASA і NOAA застосовують ML для автоматичної ідентифікації морських вихорів на знімках.

Перехід від окремих дослідницьких місій до скоординованих оперативних програм (на кшталт Copernicus та GeoXO) свідчить про їхню критичну важливість для людства. Нові технології широкосмугової інтерферометрії, а також активна інтеграція штучного інтелекту в оброблення даних спостереження відкривають для супутникової океанографії нові горизонти. Вже у найближчому майбутньому ці інновації дозволять науковцям не лише краще зрозуміти фундаментальні процеси в океані, але й нададуть людству унікальну можливість більш ефективно реагувати на глобальні виклики. Очі супутників щодня ретельно вдивляються у води світового океану, з якого колись давно вийшли ті, хто згодом наважився запустити їх у небо.

Джерело: MaxPolyakov.space

Читайте також:

Історія виникнення супутникової океанографії 

Війна в Україні стимулює розвиток супутників зі штучним інтелектом 

Супутникове зондування Землі – становлення і розвиток 

Моніторинг і протидія зміні клімату: як космічні технології можуть допомогти Землі охолонути