«Земля и Вселенная» 2002 №1, с. 3-13

Спутники дистанционного зондирования Земли предназначены для изучения и контроля постоянно возникающих природных и антропогенных процессов различного характера. Выполняют оперативные наблюдения за такими явлениями космические аппараты серии "Ресурс" (Земля и Вселенная, 2000, № 4), "Метеор" и "Океан". Мониторинг океана и водных ресурсов осуществляют ИСЗ серии "Океан-О", работающие в различных областях спектра. Более двух лет успешно функционирует российско-украинский спутник "Океан-О" №1.

ИСТОРИЯ ПРОЕКТА

Работы по программе "Океан" были начаты в Советском Союзе с запусков в 1979 г. и 1980 г. двух экспериментальных КА: "Космос-1076 и -1151". Начиная с "Космоса-1500", выведенного на орбиту в сентябре 1983 г., все спутники оснащались радиолокационной системой бокового обзора в комплекте

Космический аппарат "Океан-О" на орбите. Рисунок фирмы "Днепрокосмос".

17 июля 2001 г. исполнилось два года со дня запуска с космодрома Байконур с помощью РН "Зенит-2" российско-украинского космического аппарата "Океан-О" № 1. Спутник создан по заказу Российского авиационно-космического агентства и Национального космического агентстве Украины, разработан Государственным конструкторским бюро "Южное", изготовлен Производственным объединением "Южный машиностроительный завод" (г. Днепропетровск, Украина). Эксплуатируется аппарат в интересах социально-экономических и научных задач России и Украины на паритетных началах. Управление КА осуществляется из Центра управления полетами и моделирования (г. Королёв, Московская обл.).

НАУЧНАЯ ПРОГРАММА И АППАРАТУРА

Космический аппарат "Океан-О" № 1 предназначен для оперативного получения информации дистанционного зондирования Земли и Мирового океана в оптическом, инфракрасном и микроволновом диапазонах спектра, для сбора и передачи информации с морских, ледовых и наземных платформ. Это помогает изучать фундаментальные проблемы и эффективно решать прикладные задачи, связанные с состоянием окружающей среды и влиянием на нее природных и техногенных процессов.

Масса спутника тяжелого класса "Океан-О" № 1 составляет 6150 кг, из них 1520 кг — научная аппаратура, его длина около 12 м (с раскрытыми радиолокационными антеннами), диаметр корпуса 3.5 м, на штанге длиной 2 м установлена панель солнечных батарей длиной 8 м и общей площадью 32 м². Работающая по командам с Земли автоматическая "космическая лаборатория" снабжена тремя информационными системами — бортовой унифицированной системой, радиотелевизионным комплексом и информационно-телеметрической системой. "Океан-О" несет на борту многофункциональный измерительный комплекс из 11 приборов, дополняющих друг друга по своим информационным возможностям. В состав комплекса входят: многоканальные сканирующие устройства высокого разрешения (МСУ-В работает в диапазоне 0.48 -12 мкм, пространственное разрешение 50-250 м, полоса обзора 195 км), среднего (МСУ-СК — 0.53-12.6 мкм, 245 х 157 м, 620 км) и малого (МСУ-М-0.5-1.1 мкм, 1.7 х 1.5 км), радиолокационная станция бокового обзора (РЛС БО — 3.0 см, 2.5 х 1.3 км, 455 км), трассовые СВЧ-радиометры (Р-225 -2.25 см, 130 км и Р-600 — 6.0 см, 135 км), многоканальный сканирующий микроволновый радиометр ("Дельта-2Д" — 0.8-4.3 см, 17-91 х 22-120 км) и поляризационный спектрорадиометр ("Трассер-О" — 411-809 мкм, 45 км). Почти круговая солнечно-синхронная орбита аппарата высотой 660-680 км и наклонением 98° постоянно ориентирована относительно Солнца так, что обеспечиваются наиболее благоприятные условия освещенности при съемках интересующих районов Земли. Спутник каждые 3 суток (41 виток) повторно пролетает над одними и теми же районами Земли.

Размещение научной аппаратуры и бортовых систем на КА "Океан-О". Рисунок фирмы "Днепрокосмос".

Съемка различных районов Земли с помощью измерительной аппаратуры: а) геометрия полос обзора в видимом, инфракрасном и микроволновом диапазонах (все типы приборов); б) работа радиолокаторов бокового обзора со сканером малого разрешения в режиме совмещенного кадра. Рисунок фирмы "Днепрокосмос".

Установленная на КА аппаратура оперативно получает и предоставляет потребителям данные дистанционного зондирования для исследования Земли и Мирового океана, позволяя решать при этом ряд важнейших задач. Например, поиск нефти и газа; составление морских гидрологических и специализированных прогнозов; определение районов Мирового океана, перспективных для рыбного промысла; обеспечение безопасности судовождения и выбор оптимальных маршрутов судов; экологический мониторинг; предупреждение и контроль чрезвычайных ситуаций; изучение ледовой обстановки в приполярных районах, динамических процессов в слоях атмосферы, синоптической и сезонной изменчивости крупномасштабных течений; определение внутренних волн в океане, характеристик вод континентального шельфа.

Планирование работы измерительной аппаратуры ведется по заявкам потребителей с учетом программы научных экспериментов, осуществляемых ведущими научно-исследовательскими организациями Академий наук и космических агентств России и Украины, а также по оперативным заявкам при возникновении чрезвычайных ситуаций. В состав наземной аппаратуры, обеспечивающей прием, обработку и распространение информации дистанционного зондирования Земли, входят наземные специальные комплексы России и Украины.

По ряду причин создание космического аппарата растянулось на долгие годы, что привело к возникновению различных технических проблем, в частности сократились гарантийные сроки работы бортовой аппаратуры. Поэтому и перед запуском, и в процессе полета аппарата, когда возникали нештатные ситуации, было предостаточно пессимистических прогнозов относительно работы спутника на орбите. Однако благодаря Главной оперативной группе управления (ГОГУ), сформированной Межгосударственной российско-украинской комиссией, удалось преодолеть возникающие трудности. По истечении гарантийного годового срока активного существования КА на орбите Совместная российско-украинская межведомственная комиссия приняла решение о продолжении его работы.

Ледовая обстановка в северной части Каспийского моря. Снимок сделан 23 февраля 2001 г. радиолокатором бокового обзора.

За более чем два года полета "Океан-О" совершил более 12 тыс. витков вокруг Земли, в течение этого срока включались все группы бортовых приборов. Выполнены все поступившие в ЦУП заявки от потребителей, проведено более 1000 сеансов передачи целевой информации. Получены космические снимки высокого качества — многократно отсняты всеми классами приборов регионы России, Украины, Арктики, Антарктики, Африки, экваториальные зоны в период прохождения ураганов, Тайвань сразу после землетрясения, паводковая обстановка в Сибири и на Украине весной 2001 г. Специальная обработка космических снимков позволила по неоднородности плотности инфракрасного изображения поверхности Земли определить и уточнить зоны газовых и нефтяных месторождений. Так, с помощью снимков уточнено месторождение газа у мыса Тарханкут (западная оконечность Крыма).

С использованием сканера высокого разрешения МСУ-В были получены изображения отдельных регионов России и Украины. Это дало возможность эффективно и непрерывно контролировать созревание сельскохозяйственных культур и точно определять сроки агротехнических работ, картировать типы почв, определять их состояние, контролировать земельных фонд регионов России и Украины.

Полученная информация также находит применение при наблюдении за экологическими процессами в окружающей среде, в метеорологии, судовождении, рыболовстве и во многих других социально-экономических областях. В настоящее время от многочисленных потребителей продолжают поступать заявки на различные виды целевой информации.

Снежный покров в Алтайском крае и Горно-Алтайской республике. Снимок выполнен сканером среднего разрешения 26 марта 2001 г. Фото НИЦ "Планета". Волго-Ахтубинская пойма. Шлейфы от пожаров к северо-западу от оз. Баскунчак и юго-западнее с. Никольского. Снимок передан сканером среднего разрешения 11 июля 2001 г. Фото НИЦ "Планета ".

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СО СМЕЖНЫМИ ОРГАНИЗАЦИЯМИ

Хотелось бы отметить большое внимание, уделяемое Совместной российско-украинской межгосударственной комиссией, Росавиакосмосом и Национальным космическим агентством Украины программе работы КА "Океан-О", а также эффективную связь различных организаций России (Центр управления полетами и моделирования (ЦУП-М), Научный центр космических информационных систем и технологий наблюдения (ЦКН), Украины (КБ "Южное") и др. При проведении работ в усложненном круглосуточном режиме отмечена слаженная совместная работа представителей всей кооперации, между участниками управления установлены надежные оперативные контакты.

Возникающие в процессе управления проблемы оперативно решались персоналом ГОГУ при взаимодействии с другими организациями. Можно привести много примеров, когда возникала необходимость срочного изменения объектов съемки аппаратурой МСУ. От Главного оператора космического аппарата — ЦКН — поступала соответствующая оперативная заявка. Совместными усилиями представителей ЦУП-М, КБ "Южное" и РНИИ КП определялись рациональные конфигурации работы бортовых систем, корректировались режимы включения бортового измерительного комплекса, формировались новые временные программы управления бортовой аппаратурой. В результате съемки заданных районов осуществлялись оперативно, информация принималась российскими и украинскими пунктами.

ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ КА

Сразу после запуска КА "Океан-О" возникли проблемы с ориентацией аппарата. Штатная схема работы системы управления бортовым аппаратурным комплексом (СУБАК) оказалась неприменимой в условиях сильных вариаций плотности атмосферы во время повышенной активности Солнца в 2000-01 гг. в связи с недостаточно эффективной разгрузкой двигателя-маховика электромагнитной установки в системе управления. Чтобы обеспечить ориентацию, предложили новую схему управления аппаратом, основанную на проведении периодических коррекций пространственного положения панелей солнечных батарей в сеансах связи разовыми командами. Это было необходимо, чтобы компенсировать аэродинамические моменты, действующие на КА. Для поддержания положительного энергобаланса спутника учитывались ограничения на угол поворота солнечных батарей. Топливо при такой схеме расходовалось только на первоначальное построение ориентации КА и не требовалось на ее поддержание, в том числе для разгрузки маховиков. Таким образом, перед персоналом ГОГУ возникла качественно новая комплексная проблема оперативного управления "Океан-О".

Проанализировав работу системы управления при сильных изменениях параметров атмосферы, установили, что для гарантированного поддержания ориентации аппарата необходимо проводить по 5-6 (вместо 3-4, планируемых ранее) сеансов связи в сутки, принимая оперативные решения о поворотах панелей солнечных батарей. Была разработана методика комбинированного управления "Океан-О", позволяющая не только обеспечить требуемую ориентацию, но и добиться положительного энергобаланса аппарата и выполнить программы-заявки на получение целевой информации.

Реализация такой схемы управления потребовала от персонала ГОГУ умения в течение сеанса связи длительностью 10-12 мин по полетной информации оценить состояние работы систем управления и энергоснабжения, определить при необходимости программу поворота панели солнечных батарей, последовательно выдавая команды на борт аппарата и контролируя их исполнение.

ГОГУ столкнулось с проблемами при возникновении магнитных бурь, которые часто происходили в 2000-01 гг. Чрезвычайно сильные магнитные бури возникали ежемесячно, а в июле 2000 г. и апреле 2001 г. — через каждые два дня. Использование новой схемы ориентации оказалось весьма эффективным при сильных перепадах плотности атмосферы. В таких ситуациях положение панелей солнечных батарей приходилось менять практически в каждом сеансе связи. Угол положения панели относительно плоскости движения КА менялся в диапазоне 35-90°. Несмотря на чрезвычайно сложные условия управления КА, были полностью выполнены суточные программы работ по передаче целевой информации.

РОЛЬ ЦУП-М В РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММЫ

Программа управления аппаратом "Океан-О" явилась качественно новой для ЦУП-М. В рамках ее реализации на ЦУП-М были возложены подготовка к управлению КА, обеспечение управления аппаратом, организация взаимодействия со всеми участниками управления КА. Для этого был создан отдельный сектор управления аппаратами социально-экономического и научного назначения (СЭНН). Наряду с традиционными задачами баллистико-навигационного, телеметрического, командно-программного обеспечения управления полетом на него были возложены и качественно новые для ЦУП-М задачи: долгосрочное и оперативное планирование полета, оперативное управление и детальный анализ работы бортовой аппаратуры, выдача рекомендаций о выходе из нештатных ситуаций.

В сформированную и утвержденную Совместной российско-украинской межгосударственной комиссией ГОГУ вошли специалисты ЦУП-М, КБ "Южное" — головного разработчика аппарата, ЦКН — главного оператора, НПП "Орбита" (г. Днепропетровск) — координатора работ средств измерительного комплекса Украины, НИИТП — организации, ответственной за работу средств наземного комплекса управления, НПП "Хартрон-Консат" (г. Запорожье) — разработчика системы управления бортового аппаратурного комплекса.

Русло Волги в районе Саратова. Наложение снимков с различных сканеров — МСУ-Э (30 июля 2000 г.) и МСУ-СК (30 сентября 2000 г.). Фото НИЦ "Планета".

В структуре ГО ГУ функции руководителя полета возложены на сотрудника ЦУП-М, а технического руководителя — на представителя КБ "Южное". В течение двух лет управления КА "Океан-О" персонал ГОГУ приобрел огромный опыт. Разработана уникальная база нештатных ситуаций и способов выхода из них, созданы и внедрены в практику методики поддержания ориентации КА, реализована технология управления КА, не имеющая аналогов в мировой практике.

В результате проведенных работ созданы и апробированы базирующиеся на самой современной вычислительной технике программно-аппаратные средства ЦУП-М, организованы каналы связи и отработана технология информационного обмена с российскими и украинскими организациями, разработана организационно-техническая и эксплуатационная документация.

Для исследований перспектив развития ЦУП-М была открыта научно-исследовательская работа по теме "УНИЦУП". В ее рамках проведено научно-техническое обоснование стратегии управления КА, определены принципы построения универсального, рентабельного и конкурентоспособного на мировом уровне Центра управления полетами.

В соответствии с Федеральной космической программой РФ на 2001-05 гг. (Земля и Вселенная, 2001, № 1) планируются работы по подготовке к управлению КА: "Фотон-М" для фундаментальных и прикладных исследований в областях материаловедения и космической биологии; "Ресурс-ДК" для детального оптико-электронного наблюдения земной поверхности, получения высокоинформативных изображений в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне спектра для оценки чрезвычайных ситуаций и катастроф, создания кадастров природных ресурсов, экологического мониторинга и рационального природопользования; "Электро-2" для оперативного получения изображений облачности подстилающей поверхности Земли сбора и ретрансляции гидрометеорологической информации; "Ресурс-01" для изучения природных ресурсов, всепогодного наблюдения морской поверхности и ледовой обстановки; "Вулкан" для оперативного краткосрочного прогноза землетрясений, аномальных физических явлений в атмосфере, ионосфере и магнитосфере Земли.

ОСНОВНЫЕ ИТОГИ РАБОТЫ

Невозможно перечислить все результаты программы "Океан-О", полученные в течение двух лет полета. Однако основные назвать необходимо:

— выполнены все поступившие в ЦУП-М программы-заявки на включение бортовой научной аппаратуры;

— проведена съемка различных регионов, снимки высокого качества нашли применение при поиске газовых и нефтяных месторождений, исследовании природных ресурсов Земли, в сельском хозяйстве, при решении задач административного управления, при наблюдении за экологическими процессами в окружающей среде, в метеорологии, судовождении, рыболовстве и во многих других сферах социально-экономической и научной деятельности;

Тайфун Диана у восточного побережья США. Снимок получен радиолокатором бокового обзора. Фото НИЦ "Планета".

— полученные снимки использовались при создании космического мониторинга окружающей среды Москвы и регионов Московской области;

— получена обширная информация, которую можно идентифицировать и использовать для анализа сезонно-широтных колебаний плотности атмосферы и, что особенно важно, для анализа влияния магнитных бурь на эволюцию параметров атмосферы. Уникальность этой информации заключается прежде всего в том, что, как показал опыт управления КА "Океан-О", существующие модели прогнозирования плотности атмосферы нуждаются в доработке;

— изучалось влияние техногенных аварий и природных катаклизмов на земную, водную и воздушную среды;

— разработана, реализована и показала высокую эффективность уникальная методика поддержания ориентации КА, не имеющая аналогов в практике космических экспериментов;

— обеспечение управления КА "Океан-О" в усложненном круглосуточном режиме позволило специалистам ГОГУ приобрести уникальный опыт;

— созданы и апробированы в процессе управления высокотехнологичные программно-аппаратные средства ЦУП-М, организованы каналы связи и отработана технология информационного обмена с организациями, участвующими в управлении КА.

В заключение подчеркнем, что КА "Океан-О" в настоящее время продолжает эффективно использоваться, причем интерес к нему у потребителей информации не снижается.