КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, том 51, № 5, с. 436-440
КРАТКИЕ ^^^^^^^^^^^^^^^^ СООБЩЕНИЯ
УДК 551.510
ВОПРОСЫ ПРОВЕДЕНИЯ АЭРОЗОЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГРУППОВЫХ ПОЛЕТОВ МАЛЫХ СПУТНИКОВ © 2013 г. А. Ш. Мехтиев1, Х. Г. Асадов2, К. Х. Исмаилов1
Национальная академия авиации, г. Баку, Азербайджан 2НИИ аэрокосмической информатики, г. Баку, Азербайджан Поступила в редакцию 01.12.2011 г.
DOI: 10.7868/S0023420613050063
Общая концепция групповых полетов малых спутников заключается в возможности проведения групповой работы для выполнения цели одного большого, более дорогого спутника. Координированное функционирование малых спутников имеет много преимуществ над одиночными полетами спутников, в частности, такие как простота конструкции, малое время изготовления, дешевизна замены одного спутника другим. Эти преимущества приводят к тому, что групповые полеты малых спутников обеспечивают необходимую избыточность информации, высокое разрешение, возможность изучения исследуемых объектов под разными углами зрения или проводить многократные исследования. Эти качества делают групповые полеты спутников незаменимыми для проведения исследований в таких областях как астрономия, метеорология и окружающая среда [1].
В зависимости от области применения, возможны следующие типы групповых полетов спут-1
ников:
1. Последовательное прохождение спутниками единого пути по избранной траектории. В качестве примера можно показать групповой полет спутников Landsat 7 и ЕО — 1.
2. Групповой полет в виде кластерного образования, осуществляемое группой спутников, плотно размещенных в некотором пространстве. Такой порядок полета наиболее целесообразен для проведения интерферометрических измерений высокого разрешения, а также для составления карт Земли.
3. Групповые полеты спутников в виде образований, напоминающих созвездия, наиболее целесообразны для проведения исследований различных физических полей, например, магнитосферы Солнца.
Далее в настоящей статье рассмотрена возможность проведения аэрозольных исследований с помощью группового полета малых спутников
1 Remote sensing tutorial. http://rst.gsfc.nasa.gov/Sect/16_11.html.
кластерного типа. Конкретно предложен новый метод измерения альбедо однократного рассеяния атмосферного аэрозоля, осуществляемый синхронно тремя малыми спутниками, расположенными на исследуемой зоной поверхности Земли. Также рассмотрен предлагаемый сравнительный способ калибровки бортовых спектрора-диометров при групповом полете спутников с целью дистанционного зондирования атмосферного аэрозоля.
На рис. 1 приведена иллюстрация проведения таких измерений с помощью трех малых спутников. Прежде всего, вкратце рассмотрим некоторые существующие методы измерения альбедо однократного рассеяния атмосферного аэрозоля.
Известен метод Дубовика [2], в котором оптические и микрофизические параметры аэрозоля определяются методом инверсии, путем измерения та и углового распределения солнечной радиации на видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. В работе [3] предлагается проведение совместных наземно-космических измерений с использованием бортового теневого радиометра ир-МБЯВЯ и наземной сети аэрозольных измерений "АЕЯОМЕТ".
В отличие от всех методов, в настоящей статье предлагается использование трех малых спутников в кластерной группе измеряющих диффузную радиацию, использование данной сети "АЕЯОМЕТ" по исследуемым трем точкам и специальный алгоритм обработки, позволяющий вычислить произведение фазовой функции и альбедо однократного рассеяния аэрозоля без необходимости измерений прямой солнечной радиации.
Предлагаемый способ базируется на известном методе измерения диффузной (рассеянной) радиации над темным объектом с целью определения оптической толщины аэрозоля. В этом ме-
тоде измеренная рассеянная радиация определяется по следующей формуле
1Г АпР (0) —, 4п ц
(1)
где ю0 — альбедо однократного рассеяния аэрозоля; F0 — внеатмосферная солнечная радиация на выбранной длине волны; Р(0) — фазовая функция; ц — косинус зенитного угла Солнца.
Предлагаемый способ измерения альбедо однократного рассеяния аэрозоля в трех точках на выбранной длине волны алгоритмически может быть изложен следующим образом.
1. На рассмотрение видится относительный параметр у, определяемый следующим образом
у = 1к11кз
I Ч Гз
(2)
где 1Г — интенсивность рассеянной радиации, измеренный 1-м малым спутником; к1, к3 — постоянные коэффициенты. С учетом (1) и (2) получим
тк] г п //-ч \ тк3
У1
Рп
к1+кз-1 [Р (еХГ [шпзР (0)з ]к
к] кз
та т
а1 1 а3
(3)
а2
Юп2 Р (0)2
2. С учетом известной формулы Ангстрома
Та = Р^ Л (4)
где в — аэрозольная мутность атмосферы; а — показатель Ангстрома, имеем
г =
к] кз
Т Т 3
а^ аз
Ра]Раз ^-(к]а] +кзаз +а2)
(5)
а2 - а3
к] =
1п|32 - 1пр1а2/а1
1п|Зз 1пв1
а.
а,
кз =
_ 1пв2 - 1пв
0-2/а1
аз
(8) (9)
Рис. 1. Измерения с помощью трех малых спутников.
При условии (10) формула (7) превращается в следующее выражение
к1 + кз = 1. (11)
4. С учетом вышесказанного, формула (3) приобретает следующий вид
Ч Р2
3. Из выражения (5) формируются условия вычисления коэффициентов к1 и к3 при которых обеспечивается равенство г = 1, при выполнении следующих условий
Р^ = Р2, (6)
к1а1 + кза з = а 2. (7)
Решение системы уравнения (6), (7) позволяет получить следующие выражения для вычисления
к1 и к3
У1
А
к.п+кзп-1
[ШП1Р (0)1]к1п [шпзР (0)з]к
(12)
®П2Р (0)2
При исследовании эмиссии аэрозоля с одного источника, т.е. при условии (10) формула (12) приобретает следующий вид
[ШП1Р (0)1]к1п [ШпзР (0)з]к ЮП2Р (0)2
У1.
(13)
5. Осуществив ротацию индексов г = 1,Э легко можно получить следующие два уравнения, аналогичные (13)
[ШП1Р (9)1]'" [зР (9)з] ®п2Р (9)2
= У 2,
[пР (9)1 ]к1п [ШпзР (8)з] =
Ю"2Р (9)2 1 з.
(14)
(15)
1прз 1пр1
а1
В частном случае, если используется диффузия аэрозоля эмитируемого с одного источника, имеем
а1 = а 2 = а з. (10)
Выражения (13), (14) и (15) составляют систему уравнений, решение которой позволяет вычислить значение обобщенного оптического параметра ю0Р(9), т.е. юп. Р (0).., г = 1, з.
В частном случае, если условия проведения измерений таковы, что обеспечивается равенство
Aqua, CALIPSO, PARASOL поддерживается в контрольном квадрате в течение 21.5 сек (±158/ км)
Рис. 2. Контрольные квадраты нахождения спутников [5].
фазовых функций, а также при выполнении условия (11), формула (13) имеет вид
O30
Ю01 Юзр Ю02
= Y i-
(16)
Соответственно уравнению (13), также упрощаются выражения (14) и (15) приобретая следующий вид
kl о кзо
Шо10Шз00
ю,
Y 2,
02
Oio О30
ЮсЦОЮзоО - V
- Уз-
®02
(17)
(18)
Отметим, что предлагаемый способ многоточечного измерения оптических параметров аэрозолей с помощью малых в групповом полете имеет ряд преимуществ по сравнению с методом, изложенным в работе [3]. Эти преимущества следующие:
1. Появляется возможность одновременно исследовать свойство аэрозоля по выбранному полю, используя при этом информацию, параллельно вырабатываемую в наземных аэрозольных сетях, т.е. устраняется ошибка возникающая из-за динамических изменений свойств аэрозоля в пространстве за время перемещения одного спутника с одной позиции на другой, как это предлагается в [3].
2. Появляются вычислительные преимущества, заключающиеся в следующем: нет необходимости в вычислении таких параметров, как та,
ц, Р(9) (случай выполнения условия (11)); вычисление корректирующих коэффициентов к1 и к3 может быть осуществлено автономно заранее, для разных заданных величин а и р.
3. Предлагаемый способ полностью содержит в себе те общие преимущества использования малых спутников, которые были отмечены во вводной части настоящей статьи.
Одним из важнейших факторов неопределенности наших знаний о климатической системе Земли является радиационный форсинг (ослабление) вызываемый атмосферным аэрозолем.
В последнее время в общей концепции спутниковых аэрозольных измерений четко прослеживаются два взаимодополняющих направления, которые могут быть охарактеризованы следующим образом:
1. Сравнение аэрозольных данных различных спутников, осуществляющих аэрозольные измерения, используя различные алгоритмы и приборы;
2. Формирование специальной временной последовательности прохождения заданной траектории различными спутниками, измеряющими атмосферный аэрозоль и получение от них взаимодополняющих данных.
Второе из вышеуказанных направлений исследования и анализа атмосферного аэрозоля является так называемая "A-Train" (Alternoon-train, или Послеполуденный поезд), являющийся специально организованной последовательностью прохождения одинаковой траектории различными спутниками, имеющими на борту соответствующую измерительную аппаратуру [4].
Главной особенностью такого группового последовательного полета спутников, предназначенных для аэрозольных измерений является то, что полеты спутников осуществляются в пределах контрольных квадратов (см. рис. 2). Спутникам разрешается дрейфовать в пределах контрольных квадратов, пока они не достигнут краев контрольного квадрата. После достижения краев квадрата
спутники начинают маневрировать для подгонки орбиты. Такой порядок полета в группе очень важен для поддержки времен наблюдений и измерений, и в особенности для избежания столкновения спутников.
Что касается калибровки спутников, осуществляющих полет в группе, то на практике используются следующие типы калибровки: калибровка путем сравнения с результатами наземных измерений; викариозная калибровка с использованием тестовых участков; межспутниковая сравнительная калибровка.
В качестве реального примера калибровки результатов аэрозольных измерений осуществляемых группой спутников можно показать операцию сравнения полученных данных с информацией наземной сети аэрозольных измерений "AERONET". Принципы и основные положения викариозной калибровки хорошо известны. Суть этого метода заключается в использовании специально организованных тестовых участков на земле для on-line калибровки дистанционной измерительной аппаратуры спутников.
Типичный пример межспутниковой сравнительной калибровки дан в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.