Перспективные направления развития космических средств СВЧ-радиометрии и применения спутниковых данных для решения задач гидрометеорологического и океанологического обеспечения: современное состояние в России и за рубежом

В настоящее время на орбите функционирует большая группировка отечественных и зарубежных космических аппаратов (КА) с СВЧ-радиометрами на борту. СВЧ-радиометр позволяет получать данные независимо от облачности (погоды) и времени суток, которые обычно используются для определения стандартных метеорологических параметров. Частоты функционирования приборов СВЧ-радиометрии определены рекомендациями Международного союза электросвязи (МСЭ) [1], исходя из особенностей зондирования атмосферы и подстилающей поверхности, а условия распространения радиоволн в этих диапазонах достаточно хорошо изучены.
Метод СВЧ-радиометрии обеспечивает в широком объеме получение количественных характеристик геофизических параметров атмосферы и подстилающей поверхности[25]:
- восстановление вертикального профиля температуры атмосферы;
- восстановление вертикального профиля влажности атмосферы;
- определение интегральной влажности атмосферы, водозапаса облаков, интенсивности осадков;
- определение скорости и направленияприводного ветра;
- определения температуры поверхности океана;
- мониторинг ледовых покровов (возраст, толщина и тип льда);
- мониторинг снежных покровов (толщина снежного покрова, водный эквивалент снега);
- определения влажности почв;
- диагностики процессов деятельного слоя океана.
Применение спутниковых данных микроволновых радиометров началось в 1979 г. с запуском американского КА NOАA с бортовым зондировщиком MSU для измерения профиля температуры атмосферы на частотах 50-58 ГГц [2]. Кроме этого рассмотрены СВЧ-радиометры SSM/I, SSM/T-1 и SSM/T-2в составе КА DMSP [3,4]. С 1998 г. на спутниках серии NOAA также устанавливаются температурный AMSU-A и влажностный AMSU-B зондировщики [5]. Данные приборы обеспечивают в определенном объеме стандартной гидрометеорологической информацией страны–члены ВМО.
В России спутниковая СВЧ-радиометрия является одной из немногих динамично развивающихся технологий ДЗЗ и получила интенсивное развитие благодаря исследованиям и разработкам ФГУП «Центр космических наблюдений» (впоследствии Научно-технологический центр «Космонит», а ныне отделение 60 АО «Российские космические системы»).
За указанный период коллективом были созданы приборы для КА «Метеор-3М» (МТВЗА, запуск осуществлен в 2001г.), «Сич-1М» (МТВЗА-ОК, запуск осуществлен в 2004 году), «Метеор-М» (МТВЗА-ГЯ, запуск КА №1 осуществлен в 2009 году, запуск КА №2 осуществлен в 2014 году, запуск КА №2-1осуществлен в 2017 году, запуск КА №2-2 осуществлен в 2019 году, запуск КА №2-3 осуществлен в 2023 году) [6-8].

В настоящее время микроволновый сканер/зондировщик МТВЗА-ГЯ – это один из основных видов целевой аппаратуры на борту метеорологических спутников серии «Метеор-М». По информационным характеристикам и области применения аппаратура МТВЗА-ГЯ соответствует зарубежным аналогам – микроволновым зондировщикам AMSU-A, AMSU-B спутников NOAA (США) и Metop (ESA), ATMS спутников SNPP (США) [11],сканерам AMSR-E (спутник Aqua, США), AMSR2 (спутник GCOM-W1, Япония) [9], а также сканеру/зондировщику SSMIS[10]спутников DMSPF16–F19 (США).
Рабочие частоты прибора МТВЗА-ГЯ включают спектральные и поляризационные измерения, как в окнах прозрачности атмосферы 10,6, 18,7; 23,8; 31; 36,5; 42; 48, 91 и 165 ГГц, так и в полосе поглощения кислорода 52–57 ГГц и в области линии поглощения водяного пара 183,31 ГГц [7]. Представлены сравнительные технические характеристики МТВЗА-ГЯ, GMI и SSMIS
Отдельно рассматриваются вопросы бортовой калибровки радиометрических каналов МТВЗА-ГЯ.
За рубежом в последнее время наступает период модернизации космических средств СВЧ-радиометрии, а также создаются новые приборы с новыми функциональными характеристиками
Следующим этапом развития СВЧ-радиометров военной метеорологической программы планируется программа нового поколения WeatherSystemFollow - on-Microwave (WSF-M) [16-18], которая будет предоставлять важные метеорологические данные. WSF-M-это новейшая программа для решения задач космического мониторинга окружающей среды (SBEM), обеспечивающая потребителей важной информацией об окружающей среде. Миссия WSF-M была разработана специально для решения трех видов задач SBEM: векторные ветры на поверхности океана (OSVWs), интенсивность тропических циклонов (TCI) и характеристика заряженных частиц LEO, для оценки космической погоды. Основная полезная нагрузка WSF-M-это пассивный микроволновый радиометр, датчик с долгой историей проведения критических измерений физических свойств атмосферы, океана и поверхности суши, используемый несколькими агентствами, включая NOAA. До этого разные агентства США использовали данные пассивных микроволновых датчиков в течение десятилетий, включая - Специальный Микроволновый сканер/зондировщик (SSMI/S) и датчик WindSat Научно-исследовательской лаборатории NRL.
Также рассматриваются вопросы концепций и прототипов КА для оперативной группировки EO/ IR Weather System (EWS). Raytheon предполагает использовать свой опыт в создании датчиков для спутников JPSS NOAA, чтобы быстро внедрить концепцию EWS, которую она называет TWICC (сокращение от Theater Weather Imaging и Cloud Characterization).
TWICC будет нести уменьшенную версию прибора VisibleInfraredImagingRadiometerSuite (VIIRS), первоначально разработанного в рамках NPOESS, который в настоящее время используется на спутниках NOAASuomiNPP и JPSS-1 и установлен на спутнике JPSS-2, запускаемом в следующем году.
Развитие европейской космической гидрометеорологической программы хорошо просматривается в материалах по программе метеорологических спутников второго поколения MetOP-SG. В этой программе просматриваются следующие новые концептуальные подходы:
- размещение целевой аппаратуры на двух платформах КА;
- специальное орбитальное построение для обеспечения получения синхронных подспутниковых данных;
- развитие функциональных возможностей за счет применения новых бортовых приборов с широким спектром технических характеристик;
- применение в бортовой аппаратуре новейших технических решений (квазиоптическая шина передачи данных и т.п.) и конструктивных решений [12-13].
Кроме этого создаются новые космические системы ДЗЗ, которые расширяют функциональные возможности гидрометеорологических наблюдений и ДЗЗ:
- LSTM: Мониторинг Температуры Поверхности Земли по программе Copernicus[31];
- ROSE-L: Радар с синтезированной апертурой L-диапазона [32,33];
- Миссия по высотометрии полярных льдов и снега Copernicus CRYSTAL [34];
- Миссия – сканирующий микроволновый радтометр Copernicus CIMR [38].

По мере того как в арктическом регионе наращивается активность в области морских и авиационных перевозок, Европа решила нарастить возможности своих метеогруппировок. Для этого они заказали у возглавляемого OHB Swedeb AB прототип спутника, который будет использоваться для отработки конструкции аппаратов 16-ти спутниковой группировки. Сообщается, что запланированный к запуску в 2024 году спутник AWS будет оснащен микроволновым радиометром, который разрабатывает AAC OmniSys.
Рассматриваются задачи, решаемые при использовании данных бортовых СВЧ-радиометров в интересах министерств и ведомств России:
• задачи численного прогноза погоды;
• мониторинг, прогнозирование и контроль чрезвычайных ситуаций; (экстремальные осадки, водозапас снежного покрова и прогноз паводковой ситуации, зарождение и развитие тайфунов и пр.)
• мониторинг снежного и ледового покрова (границы и характеристики льда: возраст, зоны торошения и пр.)
• информационное обеспечение судоходства в масштабах мирового океана.

Приводятся примеры результатов предварительной обработки данных МТВЗА-ГЯ, а также примеры результатов тематической обработки спутниковых данных СВЧ-радиометров и примеры информационных продуктов ФГБУ «НИЦ «Планета» на основе данных МТВЗА-ГЯ.