Анализ конструкций космических аппаратов и орбитального построения современных и перспективных зарубежных космических систем на базе малых КА типа «кубсат» с СВЧ-радиометрами

СВЧ-радиометр космического базирования регистрирует восходящее излучение атмосферы Земли и позволяет получать данные независимо от облачности (погоды) и времени суток, которые обычно используются для решения задач численного прогнозирования погоды (ЧПП), определения стандартных метеорологических параметров (содержание водяного пара и воды в облаках, температуру морской поверхности, скорость приводного ветра и пр.), а также восстанавливать вертикальные профили температуры и влажности воздуха.
За рубежом в последнее время наступил период модернизации космических средств СВЧ-радиометрии для малых космических аппаратов (кубсатов): создаются новые приборы с новыми функциональными характеристиками, а также планируются к формированию орбитальные группировки МКА для получения данных о новых параметрах атмосферы.
На примерах конструктивных решений и орбитального построения современных и перспективных зарубежных космических систем и космических аппаратов с СВЧ-радиометрами (HyMS), C²OMODO проводится анализ вариантов улучшения параметров спектрального разрешения и расширения функциональных возможностей бортовых микроволновых приборов.
Современные микроволновые радиометры выполняют широкополосные измерения (ширина полосы составляет, как правило, 50–500 МГц (а иногда до 1500 МГц) на канал). Грубая спектральная информация не позволяет выделить узкие линии поглощения молекул и разделить близкие физические эффекты, например, водяной пар и облака на близких частотах. Поэтому одним из направлений совершенствования микроволновых радиометров является создание гиперспектральных приборов, обеспечивающих ширину полосы 1–10 МГц на канал. Количество каналов при этом может достигать нескольких сотен и более. До последнего времени такие проекты находились на стадии наземной отработки или в составе экспериментов на авиационных носителях, но в этом году уже стали появляться на орбите.
12 января 2026 года в рамках миссии Twilight был осуществлен запуск демонстрационного гиперспектрального микроволнового зондировщика HyMS, разработанного компанией Spire Global совместно с RAL Space и STAR-Dundee. Это компактный сенсор, который как раз и делает первые «наблюдения» в новом для компании формате - гиперспектральное микроволновое зондирование. Его задача - давать более детальные данные о внутренних слоях атмосферы (температура, влажность, структура облаков, осадки), чтобы улучшить прогнозы погоды. В отличие от своих предшественников: MicroMAS-2(3U), TROPICS (2021) и пр., он функционирует в диапазонах температурного (52-65 ГГц и 118 ГГц) и влажностного (около 183 ГГц) зондирования, а для оценки интегральных параметров влажности используется канал 89 ГГц. Приведены результаты анализа, количественных оценок и преимущества прибора HyMS для определения температуры и влажности атмосферы в сравнении с набором из трех микроволновых приборов, которые установлены на борту европейских метеорологических спутников следующего поколения MetOp-SG (MWS (запуск в 2025 г.), MWI и ICI – планируются к запуску).
На примере космической системы C2OMODO рассмотрена возможность получения новых качественных характеристик атмосферы. C2OMODO расшифровывается как “Наблюдения за восходящими потоками влажности (конвективным ядром) с помощью Микроволновых данных в тропиках”. Концепция этого проекта была разработана в 2018 году после совещания за круглым столом, на котором основное внимание уделялось распределенным малогабаритным приборам (таким как радиометры или пассивные радары) в качестве новой стратегии наблюдения за атмосферной динамикой облаков и штормов в очень малых временных масштабах. Наблюдения с временной задержкой концептуально аналогичны наблюдениям, получаемым с помощью наземных метеорологических радаров, а также данных геостационарных снимков, которые легко показывают динамику осадков (в случае с радаром) или верхних слоев облаков (в случае со снимками) в течение нескольких минут. Концепция миссии C2OMODO исследует подход получения данных с разницей во времени, основанный на использовании данных пассивных микроволновых зондировщиков в орбитальном полете на интервале 30-180 секунд друг от друга. Предполагается, что данные о распределении влажности в вертикальном «столбе» атмосферы на высотах до 6-8 км (183 ГГц) и выше 10 км (325 ГГц), полученные с таким временным интервалом, позволят определить вертикальную скорость движения конвективных потоков, и, в свою очередь, расширят знания об особенностях распределения влаги в тропических широтах. Для этого создается зондировщик SAPHIR нового поколения (SAPHIR-NG), который будет регистрировать данные в линиях поглощения H2O на частотах 183,31 ГГц и 325,15 ГГц и будет дополнен оконным каналом на частоте 89 ГГц. Одновременно рассмотрены новые конструктивные решения в приемных трактах с применением технологии квазиоптики (quasi-optical network - QON). Запуск первой пары МКА запланирован на 2028 год.
На основании проведенного анализа сформулированы предложения по развитию отечественных приборов СВЧ-радиометрии для комплектования малых космических аппаратов типа кубсат:
- мероприятия по совершенствованию ЭКБ: создание интегральных микросхем (MMIC), включающих в себя цепочки узлов приемных трактов (МШУ, смесители, УПЧ, АЦП и т.п.) собственно СВЧ-радиометров в миниатюрном исполнении;
- совершенствование функциональных характеристик бортовых СВЧ-радиометров (повышение точности систем калибровки и разрешающей способности зондирующих каналов);
- совершенствование бортовых систем платформ МКА, которые обеспечивают информационные и точностные характеристики получаемых данных (повышение точности поддержания ориентации МКА вокруг центра масс КА, обеспечение требуемой скорости передачи ЦИ и особенно обеспечение ЭМС СВЧ-радиометра с другими системами платформы);
Приведены информационные сообщения о существующих и перспективных космических гидрометеорологических программах Европейского космического агентства и Китая.
Ключевые слова: дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ), СВЧ-радиометрия, микроволновый сканер/зондировщик, микроволновые радиометры, микроволновый гиперспектрометр, спутниковые данные.