Разработанный нижегородскими радиофизиками скаттерометр включен в состав научной аппаратуры космического аппарата "Метеор-МП"

В рамках Федеральной космической программы РФ (ФКП РФ) Госкорпорация «Роскосмос» планирует вывод на орбиту космического аппарата (КА) «Метеор-МП», основной задачей которого будет восстановление поля приводного ветра и измерение параметров морского волнения. Для реализации этой задачи в состав измерительной аппаратуры КА «Метеор-МП» наряду с имеющимся радиолокатором был включен радиолокатор с веерной диаграммой направленности антенны. Его концепция была разработана научным коллективом ИПФ РАН под руководством старшего научного сотрудника В.Ю. Караева. Новый радиолокатор включили в состав аппаратуры КА благодаря настойчивости самих разработчиков: ИПФ РАН не входил в число организаций привлеченных к разработке концепции «Метеора-МП», т.к. не проводит подобных работ. Научный коллектив отдела радиофизических методов в гидрофизике представил свою разработку позже, когда работа над комплектацией КА была завершена, но, тем не менее, им удалось убедить заказчика (НИЦ Планета), подрядчика (ВНИИЭМ) и представителей Роскосмоса в необходимости расширения состава измерительной аппаратуры. В итоге было принято решение о создании дополнительного канала вблизи надирного зондирования, где будет работать радиолокатор, разработанный научным коллективом ИПФ РАН. Вывод КА «Метеор-МП» на орбиту запланирован в рамках ФКП РФ, принятой на период с 2016 по 2025 годы.

Преимущество радиолокационных методов связано с возможностью получения информации о рассеивающей поверхности вне зависимости от времени суток, облачности и ряда других внешних факторов. Например, скаттерометр (радиолокатор, точно измеряющий мощность отраженного сигнала) выполняет измерения в широкой полосе обзора и обеспечивает оперативное получение информации о глобальном поле приводного ветра над поверхностью мирового океана. Кроме того, ведется мониторинг снежного и ледяного покровов в Арктике и Антарктике, решается ряд других задач. Полученные с орбиты данные ассимилируются в метеорологические и климатические модели, которые лежат в основе современных прогнозов погоды.

Успехи РФ в развитии радиолокационного зондирования незначительны, что видно из Таблицы 1, где перечислены космические проекты РФ начиная с 90-х. На борту первых спутников (Sich-1, Sich-1M) был установлен радиолокатор бокового обзора (РБО), который изготавливался в Украине (разработчик – Институт радиотехники и электроники, г. Харьков). Два следующих РБО, разработанные в РФ и установленные на «Метеор-М1» и «Метеор-М2», не функционировали в штатном режиме.

Таблица 1. Запуски спутников с радиолокаторами на борту

В настоящее время на орбите работают только зарубежные скаттерометры, и Росгидромет использует эту информацию, поэтому Россия взяла на себя обязательства перед Всемирной метеорологической организацией (ВМО) вывести на орбиту российский скаттерометр.

В процессе разработки концепции радиолокатора для канала вблизи надирного зондирования группой В.Ю Караева были последовательно пройдены все этапы научного исследования: теория, численное моделирование и эксперимент. Развитие теоретической модели рассеяния электромагнитных волн СВЧ-диапазона взволнованной водной поверхностью при малых углах падения позволило разработать модели доплеровского спектра и сечения обратного рассеяния для радиолокатора с веерной диаграммой направленности антенны. Были разработаны алгоритмы восстановления информации о морской поверхности. Для проверки результатов теоретического анализа был проведен цикл экспериментов. Измерения выполнялись радиолокатором, установленным на мосту через р.Ока, и с вертолета при полетах над Горьковским водохранилищем. На рис.1 приведены фотографии вертолета Ми-8 перед полетом с установленным обтекателем (а) и антенны, установленной внутри обтекателя (б).

Рис. 1. Вертолет Ми-8 перед экспериментом. Обтекатель с антенной смонтирован под днищем (а) и антенна с веерной диаграммой направленности установлена в обтекателе (б).

Обработка данных подтвердила эффективность предложенных алгоритмов. Для проверки в условиях орбитального полета был проведен цикл численных экспериментов, подтвердивший их работоспособность. По результатам проведенных исследований были получены патенты на способы измерения параметров морского волнения с помощью радиолокатора с веерной диаграммой направленности антенны. Схема зондирования в канале вблизи надирного зондирования приведена на рисунке 2. Благодаря сканированию лучом в направлении перпендикулярном направлению полета формируется широкая полоса обзора.

Рис. 2. Схема измерения в канале вблизи надирного зондирования КА «Метеор-МП». Носитель движется со скоростью V вдоль оси Y, сканирование осуществляется в направлении перпендикулярном направлению движения.

Скаттерометр на КА «Метеор-МП», разрабатываемый с участием нижегородских радиофизиков, превосходит существующие орбитальные скаттерометры по своим возможностям. Разработанные алгоритмы обработки позволят в канале вблизи надирного зондирования восстанавливать ключевую информацию о морском волнении: высоту значительного волнения, дисперсию наклонов крупномасштабного волнения, направление распространения доминирующей системы волнения и среднюю длину волны.

Аналогичных по конструктивным особенностям и измерительным возможностям радиолокаторов никогда не было ни в советской и российской космонавтике, так и в мире. В связи с этим, Роскосмос поддержал предложение об изготовлении макета нового радиолокатора и проведении испытания на Международной космической станции (МКС), чтобы на примере тестовых испытаний в космических условиях выявить недостатки конструкции и обеспечить успех основной миссии. После длительного этапа согласования технического задания был подписан договор с Роскосмосом, и в начале 2018 года началась разработка эскизного проекта. Установка радиолокатора на МКС запланирована на 2022 год. Научное руководство проекта осуществляет научный коллектив ИПФ РАН, а изготовление макета нового радиолокатора - "Ростовский-на-Дону Научно-исследовательский институт радиосвязи" (РНИИРС).

Необходимым условием успеха будущей миссии является проведение валидации тематической информации, которая восстанавливается по данным скаттерометра. В этом направлении научный коллектив сотрудничает с основным заказчиком/потребителем данных дистанционного зондирования - НИЦ Планета. Разработана программа «Валидация», и научный коллектив начнет ее реализацию с 2020 года.

Развитие научным коллективом методов радиолокационного зондирования морской поверхности, разработка концепции радиолокатора для канала вблизи надирного зондирования, включение нового радиолокатора в состав научной аппаратуры КА «Метеор-МП», научное сопровождение основных космических проектов в интересах Росгидромета (Метеор-М3, Метеор-МП) выводит ИПФ РАН на лидирующие позиции в России по дистанционному зондированию Земли из космоса.

Владимир Караев