2 Анализ использования спутниковой метеорологической информации в целях обеспечения безопасности полетов

2 Анализ использования спутниковой метеорологической информации в целях обеспечения безопасности полетов

 

2. 1 Системы сбора и распространения спутниковой информации

Для сбора и распространения метеорологической информации со спутников в настоящее время используются две системы: централизованная и автономная.

Централизованная система обеспечивает получение моментальных телевизионных и инфракрасных снимков, последовательно охватывающих всю или часть поверхности Земли. Изображения поступают в бортовое запоминающее устройство и сохраняются там до момента вхождения спутника в зону связи с наземным комплексом приема данных и управления искусственного спутника Земли, после чего по командам с Земли начинается передача информации, полученной за один или за несколько оборотов спутника вокруг Земли. По централизованной системе осуществляется сбор актинометрических, спектрометрических и радиометрических данных измерений со спутника. Принятая информация обычно подвергается централизованной обработке.

Автономная система, в отличие от централизованной, не имеет на спутнике бортовой аппаратуры запоминания данных. Изображение со специального устройства (видикона или радиометра), кратковременно сохраняющего его, передается автоматически на автономные пункты приема информации. Система непосредственной передачи информации широко используется для передачи телевизионных и инфракрасных изображений облачности и подстилающей поверхности Земли. В отдельных случаях в этом режиме могут передаваться также результаты актинометрических измерений.

Орбиты и количество спутников для каждой из систем метеонаблюдений определяются необходимой частотой получения информации из района с заданной широтой местоположения, шириной полосы местности, приемлемой разрешающей способностью изображения (при заданных характеристиках бортовой аппаратуры), условиями обеспечения оптимальной естественной освещенности районов в момент наблюдения, возможностями: ракет-носителей и экономическими факторами [7].

Космические снимки покрова Земли, которые производятся в видимых или инфракрасных лучах, являются одним из основных видов спутниковой информации. Во время орбитального полета спутника бортовое программное устройство осуществляет включение телевизионной и инфракрасной аппаратуры на заданный регламент работы, в соответствии с которым происходит реализация схемы сбора и распространения телевизионных снимков. Метеорологические космические системы могут иметь две группы спутников, которые осуществляют централизованную или оперативную схему сбора и распространения телевизионной информации. Общие принципы обработки и анализа спутниковой информации в том и ином случае практически одинаковы. Однако имеются некоторые особенности, требующие рассмотрения первичной обработки телевизионных изображений в зависимости от схемы ее получения со спутника [5].

Аппаратура, установленная на пункте приема спутниковой информации, автоматически регистрирует телевизионные наблюдения на фотопленку и магнитную ленту. Запись телевизионных изображений ведется кадр за кадром с межкадровыми промежутками, во время которых на борту спутника прерывается работа запоминающего устройства. Фотопленка с телевизионными изображениями спутников Международной космической станции «Метеор» имеет ширину 80 мм и представляет собой серию последовательных снимков (нолукадров), имеющих размер в поперечнике 70 мм. Полукадры содержат постоянные метки в виде центральных и угловых крестов, обозначающих центр и границы рабочей части полукадра. Каждые два снимка (полукадра), полученные с первой и второй камер бортовой телевизионной аппаратуры, снабжены одним номером, который изображен на снимке двоичным шестиразрядным кодом в виде черных и белых отрезков. Белый отрезок обозначает наличие импульса (1), черный – отсутствие (0). Первый белый отрезок (импульс) является маркером, после которого следует номер кадра. Для определения номера кадра используется специальная палетка [2].

Телевизионные снимки спутников серии «Метеор» при средней высоте орбиты около 650 км имели разрешение на местности при плановой съемке 1, 25 x 1, 25 км, с увеличением высоты орбиты до 900 км разрешение на местности уменьшилось до 1, 75 х 1, 75 км, общая ширина полосы обзора на местности при плановой съемке увеличилась с 960 км до 1475 км.

Снимки спутников системы «ПОЛА», поступающие в централизованном режиме сбора информации, имеют несколько меньшую разрешающую способность, чем снимки со спутников «Метеор». Разрешение на местности при плановой съемке со спутников серии «НОАА» равно 3, 0 х 3, 0 км, общая ширина полосы захвата на местности в этом случае равна 3300 км.

В режиме печати снимки поступают в виде негативных изображений на фотопленке или позитивных изображений на фотобумаге. Локализация снимка осуществляется, но номеру витка спутника и времени приема изображения. Такие сведения могут быть извлечены из специальных телеграмм службы погоды. Разрешающая способность телевизионной системы спутников «НОАА» остается такой же, как и в централизованном режиме сбора. На снимках спутников «Метеор» разрешение на местности при плановой съемке увеличивается до 1, 0 x 1, 0 км.

Телевизионные снимки, полученные с геостационарных спутников серии «АТС», практически обеспечивают изображение 30% площади Земли, имея разрешение на местности при плановой съемке 3, 5 х 3, 5 км («АТС-3»).

В механически сканирующих инфракрасных системах спутников используется цифровая система передачи телевизионного сигнала на Землю. Величина электрического потенциала излучения с помощью специальных устройств автоматически регистрируется на фотопленку и магнитную ленту. Непрерывное изображение вдоль всего витка существенно облегчает процесс дальнейшей обработки снимков. На полях фотопленки рядом с изображением фиксируются в виде последовательного двоичного кода минутные метки времени, регистрация которых осуществляется в виде темных и светлых черточек, параллельных строкам сканирования. Наличие минутных меток служит основой для привязки инфракрасного и телевизионного изображений [7].

Инфракрасные снимки первых спутников серии «Метеор» при средней высоте полета 650 км имели разрешение на местности при плановой съемке 15 х 15 км, с увеличением высоты полета до 900 км разрешение на местности уменьшилось примерно до 25 х 25 км в надире и несколько больше на краю снимка. Общая ширина полосы захвата на местности при такой съемке увеличилась с 1100 до 1600 км.

Инфракрасная съемка облачности на спутниках серии «НОАА» производится в «окне прозрачности» атмосферы 10, 0-0 мкм. В дневное время работающий в этом диапазоне волн радиометр обеспечивает разрешение на местности при плановой съемке 3 x 3 км, в ночное время 6x6 км, при этом общая ширина полосы обзора на местности остается постоянной и равна 4000 км.

Регистрация электромагнитных волн в диапазоне 0, 3-30, 0 мкм с помощью аппаратуры, установленной на метеорологических спутниках, позволяет получить потоки уходящего излучения и отраженной коротковолновой радиации на верхней границе атмосферы. Эти потоки радиации, измеренные в реальных метеорологических условиях, представляют большой интерес, поскольку характеризуют компоненты радиационного баланса системы Земля-атмосфера. С помощью радиационных измерений можно получить данные о температуре подстилающей поверхности и высоте верхней границы облаков, к тому же их можно использовать для построения вертикальных профилей температуры и влажности воздуха в различных слоях атмосферы, для определения водности и содержания льда в облаках и другие [7].

Актинометрические данные. Па метеорологических спутниках серии «Метеор» измерения производятся в трех диапазонах длин волн: 8-12, 3-30 и 0, 3-3 мкм. Регистрация электромагнитных волн в диапазоне 3-30 и 0, 3-3 мкм позволяет получить интенсивность собственного длинноволнового излучения системы Земля-атмосфера и интенсивность отраженной коротковолновой (солнечной) радиации. Единицами измерения интенсивности радиации в диапазонах длин волн 3-30 и 0, 3-3 мкм являются кал/(см²*мин-ср), показывающие, какое количество лучистой энергии излучает или отражает площадка в 1 см² за одну минуту в определенном направлении, ограниченном телесным углом в 1 стерадиан.

Радиационные измерения в диапазоне длин волн 8-12 мкм характеризуют излучение в той части длинноволнового спектра, в которой влияние атмосферы мало (окно прозрачности атмосферы). Результаты этих измерений выражаются в градусах температуры. Измеряемая температура называется радиационной (эквивалентной) и представляет температуру абсолютно черного тела, излучение которого равно излучению, измеренному со спутника. В случае полного отсутствия в атмосфере поглощающих и излучающих лучистую энергию веществ радиационная температура равнялась бы фактической температуре подстилающей поверхности (поверхности суши, моря или облачности), умноженной на величину излучательной способности. В действительности в атмосфере всегда имеется какое-то количество водяных паров, аэрозолей и других веществ. Вследствие этого радиационная температура оказывается ниже температуры подстилающих поверхностей. Чем больше в атмосфере поглощающих веществ, тем это различие больше.

Между измерениями в разных диапазонах спектра существуют физические связи. Так, распределение максимумов и минимумов для диапазонов 8-12 и 3-30 мкм совпадает, а минимумы излучения в диапазоне 0, 3-3 мкм (облака, например) соответствуют минимумам в диапазоне 8-12 и 3- 30 мкм (холодная излучающая поверхность).

Актинометрическая аппаратура спутника «Метеор» имеет пространственное разрешение 50 x 50 км в надире. Рабочий угол сканирования приборов равен 60° от направления в надир, что обеспечивает полосу захвата на местности шириной около 2500 км при высоте полета спутника 625 км. Результаты измерений представляются двоичным кодом и подаются на бортовое запоминающее устройство. Объем информации превышает 2*10⁶ двоичных знаков, поэтому обработку для ее практического использования можно осуществить только на электронных вычислительных машинах [6].

Спектрометрические данные. Спектрометрические измерения позволяют получить в глобальном масштабе сведения о вертикальном распределении температуры и влажности воздуха, озона и пр. Наиболее широкое применение получили данные измерений в полосах поглощения углекислого газа 15, 0 и 4, 3 мкм. Дифракционные спектрометры, работающие в этих полосах поглощения СО₂, могут иметь от 4 до 30 каналов измерений, что практически обеспечивает восстановление вертикального профиля температуры до достаточно больших высот. Для получения данных о распределении влажности в атмосфере используются спектрометрические измерения в полосах 6, 5-7, 0 и 20-23 мкм.

Спектральные измерения уходящего излучения и диапазоне волн 6-20 мкм позволяют восстановить вертикальный профиль озона (до высоты 25 км) и водяного пара (до высоты 9 км). Спектрометрические измерения со спутника обеспечивают точность измерения уходящего излучения до 0, 1-1, 0 %.

При производстве спектрометрических измерений аппаратура обычно имеет калиброванный эталонный источник излучения. Калибровка измерительной аппаратуры дает возможность установить связь между интенсивностью радиации и выходным сигналом радиометра и определить среднюю квадратическую ошибку измерений. Величина средней квадратической ошибки для подобных измерений при отсутствии облачности около 2° С, при наличии же облаков она несколько больше.

Методы обработки радиационных данных предусматривают широкое использование электронно-вычислительной техники. Первичная обработка, географическая и временная привязки информации выполняются по заранее разработанным схемам [1].

 

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: