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