Program Sentinels
Transkrypt
Program Sentinels
Program „SENTINELS” Dr inż. Piotr Orleański, Centrum Badań Kosmicznych PAN 1 Założenia programu GMES (Global Monitoring for Environment and Security) jest następnym, po Galileo, flagowym programem Unii Europejskiej związanym z eksploracją kosmosu. Został zatwierdzony w 2001 roku i w chwili obecnej jest realizowany w ramach 7 Programu Ramowego UE. Głównym partnerem UE w tym programie jest ESA. „Sentinels” to wspólny program Unii Europejskiej i ESA mający na celu umieszczenie na orbicie okołoziemskiej całej konstelacji satelitów teledetekcyjnych służących do monitoringu środowiska. Konstelacja ma docelowo składać się z minimum 10 satelitów jednocześnie pracujących na orbicie i podzielonych na pięć różnych kategorii (typów satelitów, oznaczonych przez ESA 1, 2, 3, 4 i 5). W każdej kategorii dwa identyczne satelity mają pracować równocześnie pozwalając na uzyskanie bardzo dokładnego pokrycia Ziemi. W każdej kategorii będą realizowane różne zadania programu GMES. Program jest planowany na długi okres czasu (2010-2025) i w związku z tym satelity po kilku latach pracy będą zastępowane przez kolejne, identyczne modele. W sumie przewiduje się wystrzelenie 20 satelitów, po cztery w każdej kategorii. Program jest finansowany z funduszy Unii oraz ESA i został podzielony na kilka faz (segmentów) – obecnie prace w segmencie pierwszym są już zaawansowane, faza druga Rys. 1 Charmonogram programu Sentinels właśnie się rozpoczyna. W segmencie pierwszym finansowanie pochodzi w 45% ze środków 7PR i 55% ze środków ESA. W założeniu segment pierwszy ma doprowadzić do umieszczenia na orbicie i weryfikacji działania pierwszych satelitów w kategoriach 1, 2 i 3; segment ten nie obejmuje fazy operacyjnej dla tych satelitów. Segment obejmuje również zbudowanie i uruchomienie infrastruktury naziemnej oraz realizację fazy A dla satelitów w kategoriach 4 i 5. W trakcie trwania segmentu drugiego zakłada się wdrożenie fazy operacyjnej dla satelitów 1, 2 i 3, powielenie i umieszczenie na orbicie następnych satelitów w tych kategoriach oraz częściowe zbudowanie pierwszych Rys.2 Artystycznawizja ESA satelity Sentinel 1 satelitów w kategoriach 4 i 5. Współfinansowanie przez 7PR wiąże się z możliwością udziału w realizacji programu nie tylko krajów członkowskich ESA, ale także wszystkich uczestników 7PR, w tym oczywiście Polski. Kontrakty udzielane w ramach tych 45% środków finansowanych przez 7PR mają być realizowane na zasadach obowiązujących w Unii Europejskiej, typowa dla ESA zasada zwrotu geograficznego ma nie być stosowana. Może to być pierwsza okazja dla polskiego przemysłu do uzyskania kontraktów w sektorze kosmicznym. Zasady obowiązujące przy projektowaniu poszczególnych rodzajów satelitów można streścić następująco: wymagania związane z operacyjną stroną przedsięwzięcia mają absolutny priorytet. Naczelnym zadaniem programu jest dostarczenie, w tani i pewny sposób, wiarygodnych, skalibrowanych i ciągłych danych obserwacyjnych dostępnych w postaci dobrze zrozumiałej i dającej się łatwo opracowywać przez użytkowników. W związku z tym przewiduje się zastosowanie wszędzie tam, gdzie tylko będzie to możliwe, już sprawdzonych rozwiązań technicznych i organizacyjnych. Istniejące, lub tylko minimalnie zmodyfikowane, dostępne handlowo systemy satelitarne powinny być zastosowane w części serwisowej satelitów. Satelity opracowane w ramach jednej kategorii będą identyczne. Pozwoli to na dużą redukcję kosztów i zapewnienie powtarzalności urządzeń. Satelity opracowane w różnych kategoriach będą oczywiście różne. Ale postulowana jest również, wszędzie tam gdzie to możliwe, maksymalna unifikacja satelitów we wszystkich kategoriach. Dla przykładu: wspólny dla wszystkich satelitów ma być system komunikacji z Ziemią, a więc podobne, lub wręcz identyczne, elementy Rys.3 Sentinel-2 na orbicie – wizja podsystemów łączności będą instalowane na ESA wszystkich satelitach. Instrumenty obserwacyjne z konieczności będą budowane od początku, ale i w tym przypadku mają być zastosowane doświadczenia i rozwiązania pochodzące z poprzednich, sprawdzonych misji. Satelity nie będą stanowiły szczytowego osiągnięcia technologicznego, a dane nie będą przedstawiały szczytowego poziomu z punktu widzenia czułości czy rozdzielczości. Z drugiej strony program Sentinels zapewni, że w długiej skali czasu będzie można za pomocą takich samych metod i instrumentów monitorować w sposób niezawodny i ciągły zmiany zachodzące w środowisku ziemskim. Niskie koszty i powtarzalność satelitów powinna umożliwić kontynuację programu przez kilkanaście lat, a może i dłużej. Pierwsza kategoria satelitów to satelity wyposażone w pojedynczy instrument - radar z syntetyzowaną apreturą. Satelita radarowy SAR pracujący w paśmie C ma być następcą satelity ENVISAT. Jego podstawowe zadania to monitorowanie rozwoju terenów miejskich, monitorowanie ruchów ziemi (np. osuwiska), monitorowanie strefy brzegowej oceanów, monitorowanie lasów, monitorowanie pożarów i powodzi. Satelity kategorii 2, Sentinel 2, mają być wyposażone w zestaw aparatury obrazującej w 13 zakresach pasma widzialnego i podczerwieni. Do zadań tej aparatury ma należeć analiza pokrycia terenu (LC), mapy wykrytych zmian (CDM), indeksy stanu roślinności (LAI, FAPAR, FVC, Cw, FNPAV), indeksy pokrywy śnieżnej (SC), indeksy ryzyka i skutków pożarów (BS, FL, SFRI), parametry lasów (CD, FA) oraz monitorowanie skutków powodzi (FRM). Satelity kategorii Sentinel 3 to następcy satelity JASON. Ich zadaniem będą pomiary poziomu morza, pomiary koloru i temperatury oceanów. Rys.4 Artystyczna wizja ESA satelity Sentinel-3 Wyposażone będą w altimetr, 15-to kanałowy spektrometr oraz radiometr AATSR. Kategorie Sentinel 4 i Sentinel 5 będą miały za zadanie obserwacje atmosfery Ziemi, w tym przekazywanie w czasie rzeczywistym serwisów dotyczących składu chemicznego, zanieczyszczeń, ozonu i aerozoli. Założenia dla tych serii są dopiero opracowywane. Prezentowane w tym rozdziale założenia programu Sentinels, wraz z załączonymi rysunkami, są materiałami ogólnodostępnymi na stronach internetowych ESA. Z założenia nie zawierają one szczegółów technicznych i dokładnych szkiców pokazujących rzeczywistą konstrukcję planowanych satelitów. Program już jest realizowany i oczywistym jest, że szczegóły takie, w przypadku satelitów Sentinel-1, Sentinel-2 i Sentinel-3, są już znane. Można je znaleźć również na stronach ESA (http://emits.esa.int/emits/) związanych z programem EMITS. W następnych rozdziałach zamieszczono kilka szkiców pochodzących z materiałów ThalesAlenia Space oraz EADS-Astrium zamieszczonych na tych stronach. Szkice te pozostają własnością wymienionych firm i są prezentowane w tym przeglądzie jedynie jako poglądowa informacja. 2 Satelita Sentinel-1 Firma, która podpisała z ESA umowę na dostarczenie kompletnego satelity (Prime Contractor) to Thales Alenia Space Italy. Firma ta jest jednocześnie wykonawcą samego modułu serwisowego. Instrument pokładowy (radar SAR) będzie w całości dostarczony przez Astrium GmbH (ASD, Astrium Niemcy), elementy radaru będą wykonane w Astrium GmbH (antena) oraz w Astrium Ltd (ASU, Wielka Brytania, elektronika). Rys.5 Tak Thales Alenia Space przedstawia przyszłego satelitę Sentinel-1. Zastosowane skróty to: SAW – SolarArray Wings, SVM – Service Module, PLM – Payload Module, SST – Star Tracker, RCT - Reaction Control Thruster Satelita będzie w całości przeznaczony dla pozyskiwania obrazów radarowych z pracującego w paśmie C radaru z syntetyzowaną aperturą (SAR). System powinien stanowić naturalną kontynuację misji ERS i ENVISAT. Satelita ważący około 2200kg będzie umieszczony na polarnej, słoneczno synchronicznej orbicie. Przewidywany jest 12-dniowy cykl (czas rewizyty pojedynczego satelity w dowolnym punkcie globu ziemskiego) składający się z 175 orbit. Pierwszy obiekt ma być umieszczony na orbicie w 2011 roku. Czas rewizyty będzie skrócony do sześciu dni w 2014 po umieszczeniu na orbicie drugiego satelity. Dla obszarów europejskich i kanadyjskich przewiduje się, że konstelacja dwóch satelitów pozwoli na pozyskiwanie obrazów z tego samego miejsca co (około) dwa dni. Satelita umożliwi pozyskiwanie obrazów w czterech rodzajach pracy: • • • • 3 w trybie 1 (Stripmap Mode, SM) z pasa o szerokości 80km z rozdzielczością przestrzenną 5x5m, w trybie 2 (Interferometric Wideswath Mode, IW) z pasa o szerokości 250km z rozdzielczością przestrzenną 5x20m, w trybie 3 (Extra-wide Swath Mode, EW) z pasa o szerokości 400km z rozdzielczością przestrzenną 25x100m, w trybie 4 (Wave Mode, WV) satelita będzie zbierał dane z pojedynczych pikseli o wielkości 5x20m ograniczając ilość przekazywanych danych do minimum. Satelita Sentinel-2 Firma, która podpisała z ESA umowę na dostarczenie kompletnego satelity (Prime Contractor) to Astrium GmbH w Niemczech. Firma ta jest jednocześnie wykonawcą dużej części modułu serwisowego. Za strukturę mechaniczną tego modułu, zagadnienia cieplne i okablowanie odpowiadać będzie hiszpańska firma CASA. Analizę misji prowadzi GMV w Hiszpanii. Instrument pokładowy (Multispectral Instrument) będzie w całości dostarczony przez Astrium SAS z Francji, elementy tego instrumentu powstaną również w Jena-Optronik w Niemczech (główna część elektroniki), Sener we Francji (niektóre mechanizmy) oraz Rys.6 Sentinel-2: pokrycie zakresów spektralnych VNIR i SWIR za pomocą 13 wydzielonych pasm instrumentu MSI. Zaznaczona jest również przewidywana rozdzielczość przestrzenna instrumentu w kazdym z pasm. Boostec we Francji (struktura teleskopu wykonana z węglików krzemu). Satelita będzie w całości przeznaczony dla pozyskiwania wielo-spektralnych obrazów w zakresie pasma widzialnego i bliskiej podczerwieni. System powinien stanowić naturalną kontynuację misji SPOT5 i LANDSAT. Będzie wyposażony w 13 kanałów spektralnych, dla porównania SPOT ma tych kanałów 5. Podstawowy tryb pracy umożliwi zobrazowanie powierzchni w pasie 290 km z rozdzielczością przestrzenną 10, 20 i 60m (w zależności od pasma). Satelita ważący około 1000kg będzie umieszczony na słoneczno synchronicznej orbicie (786 km, LTDN ~ 10:30). Przewidywany jest 10-dniowy czas rewizyty pojedynczego satelity w dowolnym punkcie globu ziemskiego. Czas rewizyty będzie skrócony do pięciu dni po umieszczeniu na orbicie drugiego satelity. Przewiduje się zobrazowanie niezachmurzonej powierzchni Ziemi w cyklu 30-dniowym. Możliwość manewrowania satelitą pozwoli na bardzo szybkie zobrazowanie wybranych obszarów (monitorowanie klęsk żywiołowych). Satelita będzie zorientowany w przestrzeni z dokładnością lepszą niż 20m. Pierwszy obiekt ma być umieszczony na orbicie w 2012 roku. Kolejny w 2015. Przewidywany czas życia pojedynczego satelity to 7.25 Rys.7 Przeznaczenie poszczególnych zakresów spektralnych instrumentu MSI roku, choć zasoby pokładowe (np. paliwo) powinny wystarczyć na dodatkowe 5 lat i de-orbitowanie obiektu. Rys.8 Proponowana przez EADS/Astrium konfiguracja satelity i instrumentu MSI 4 Sentinel-3 W odróżnieniu od poprzednich satelitów, które dedykowane były pojedynczym, dużym instrumentom, satelity z serii Sentinel-3 będą wyposażone w identyczne zestawy czterech podstawowych instrumentów teledetekcyjnych: SRAL (Synthetic Aperture Radar Altimeter), MWR (Microwave Radiometer), OLCI (Ocean and Land Color Instrument) oraz SLSTR (Sea and Land Surface Temperature Radiometer) oraz trzech pomocniczych: DORIS, LRR (Laser Retro Reflector) i GNSS (Dual Frequency GPS Receiver), te dwa ostatnie służące do zwiększenia dokładności określenia pozycji satelity na orbicie. ESA powierzyła odpowiedzialność za zbudowanie satelitów (Prime Contractor) firmie Thales Alenia Space we Francji. Ta firma jest również odpowiedzialna za układy AOCS, Rys.9Instrumenty pokładowe satelity Sentinel-3 oprogramowanie oraz instrumenty OLCI i SRAL. Thales Alenia Space we Włoszech ma zbudować moduł serwisowy satelity. Galileo Avionica we Włoszech dostarczy elektronikę instrumentu SLSTR, Jena-Optronik w Niemczech moduł optyczno-mechaniczny tego instrumentu. EADS CASA w Hiszpanii jest odpowiedzialna za MWR. Sentinel-3 ma stanowić kontynuację dla aktualnie eksploatowanych satelitów: • • • • Zobrazowania barwne mórz i lądów mają być prowadzone co najmniej na poziomie danych otrzymywanych z MEdium Resolution Imaging Spectrometer (MERIS), Temperatury powierzchni mórz i lądów mają być mierzone z taką dokładnością, jaka w chwili obecnej jest uzyskiwana za pomocą Advanced Along-Track Scanning Radiometer (AATSR), Jakość danych dotyczących topografii powierzchnią mórz będzie nie gorsza od tych, uzyskiwanych z ENVISAT Radar Altimeter (RA), Dodatkowo częściowo będą kontynuowane pomiary prowadzone przez Vegetation Instrument na pokładzie SPOT4 i SPOT5. Satelity mają orbitować na bliskiej polarnej, słoneczno-synchronicznej orbicie na wysokości 815km, LTDN 10:00-10:30. Pełne pokrycie powierzchni uzyskane będzie co 4 dni (jeden satelita) lub 2 dni (dla pełnej konstelacji obu satelitów). Szerokość pasa obserwowanego przez optyczne instrumenty Sentinel-3 będzie wynosiła: 1269km dla OLCI, 750-1675km dla SLSTR, pomiary SRAL będą wykonywane punktowo w centrum tego pasa. Masa każdego z satelitów ma wynosić 1250kg. Satelity mają mieć wymiary 3.9x2.2x2.2m. Baterie słoneczne pozwolą zasilić podsystemy pokładowe energią rzędu 2kW. 200Gbit danych ma być transmitowane w czasie pojedynczej orbity na Ziemię. Start pierwszego satelity planowany jest w 2012 roku, następnego w 2014. Podobnie do Sentinel-2 satelity Sentinel-3 mają mieć gwarantowany czas pracy na orbicie 7.5 roku z możliwością przedłużenia o następne 5 lat. Instrument OLCI (170kg, 124W) jest urządzeniem wzorowanym na sprawdzonym w przestrzeni kosmicznej rozwiązaniu przyrządu MERIS. Część parametrów MERIS została poprawiona (stosunek sygnału do szumu, ilość kanałów, system rejestracji, wyeliminowano odbłyski słoneczne widoczne w polu widzenia). Rys.10 Szczegóły techniczne instrumentu OLCI, za Thales Alenia Space SRAL radar (65kg, 95W) pracuje w dwóch zakresach: Ku (13.575GHz, pasmo 350MHz) używanym w podstawowym trybie pracy do pomiarów wysokości oraz C (5.41GHz, pasmo 320MHz) przeznaczonym dla korekcji jonosferycznej. SRAL wykorzystuje pojedynczą antenę oraz dwa, w pełni dublowane, bloki elektroniki: część mikrofalową i część cyfrową. Instrument SLSTR (106kg, 160W) wykorzystuje doświadczenia zdobyte w czasie użytkowania instrumentu ATSR. Te same zakresy spektralne będą użyte, podobny będzie system skanera, rozdzielczość przestrzenna zostanie podniesiona z 1km (ATSR) do 500m (SLSTR). Wspólna optyka instrumentu SLSTR służyć będzie zarówno dla spektrometrycznych jak i radiometrycznych obserwacji, wbudowany w instrument system kalibracji radiometrycznej pozwoli na zwiększenie dokładności pomiarów. Rys.11 Szczegóły techniczne instrumentu SLSTR, za Thales Alenia Spac Instrument MWR (25kg, 34W) ma pracować w dwóch kanałach: 23.8GHz i 36.5GHz z pasmem 200MHz identycznym dla obu kanałów. Radiometr ma zbierać informacje z powierzchni 20km w czasie pojedynczego pomiaru trwającego 150ms. Rys.12 Szczegóły techniczne instrumentu OLCI, za Thales Alenia Spac