1.6. Проблемы создания глобальной космической системы экологического контроля

Решение глобальных экологических задач требует наряду с при­менением ряда срочных природоохранных мер интенсификации фундаментальных и прикладных исследований по экологии в целом.

Обеспечение фундаментальных и прикладных исследований нераз­рывно связано с необходимостью создания постоянно действующей общепланетарной системы синхронного многодисциплинарного мониторинга Земли (химического состава и процессов в атмосфере. деформационно-напряженного состояния литосферы), обеспечиваю­щей сбор, обработку, хранение и представление экологической ин­формации различным пользователям (ученым, хозяйственным, госу­дарственным и общественным организациям).

Отдельные элементы такой системы созданы и функционируют. Однако они разрознены. Ограниченная экологическая информация сконцентрирована в специализированных по некоторым предметным областям базах данных, доступ к ней ограничен.

В этой ситуации трудно построить достаточно полное для систе­мы исследований информационное отображение экологических про­цессов на всех уровнях, создать комплексные модели для оценки и прогнозирования наиболее опасных тенденций.

В настоящее время имеются все необходимые научно-техничес­кие предпосылки для организации всеобъемлющего экологического мониторинга (космическая и авиационная техника, вычислительные системы, средства телекоммуникаций, приборостроение и т.д.).

Важнейшей компонентой такой системы наблюдения несомненно должна стать глобальная космическая система экологического конт­роля . Очевидно, на первом этапе основой космического сегмента такой системы могли бы стать объединенные в рамках международ­ного проекта спутниковые системы дистанционного зондирования СНГ. США. Франции. Японии и Европейского космического агент­ства. Международное сообщество (США. СНГ. Франция. Япония и другие) накопило определенный опыт по использованию космичес­ких систем дистанционного зондирования для изучения природных ресурсов, атмосферы, литосферы и гидросферы.

В качестве примера рассмотрим некоторые основные работы с широким использованием аэрокосмических средств, выполняемые в США в течение последних двадцати лет под эгидой NASA, NOAA, а также ряда ведущих министерств и ведомств.

Под руководством NASA длительное время проводятся много­плановые исследования литосферы, включая изучение элементов про­странственных экосистем для углубления знаний о биологических ресурсах и влиянии биоты на глубинные процессы.

Под эгидой NOAA выполняется анализ и прогноз погоды, изуча­ется стратосфера и озон. Национальная академия координирует иссле­дования по динамике взаимодействия химических радиационных процессов в стратосфере и мезосфере. Министерство обороны про­водит исследования по прикладным и фундаментальным проблемам атмосферы. Министерство энергетики изучает глубинные явления, связанные с двуокисью углерода, геологией и экологией. Значитель­ное внимание уделяет исследованию землепользования, в том числе проблемам прогнозирования урожайности и влияния солнечной ра­диации на процессы развития растений, индикации лесных пожа­ров.

В целом космические, авиационные и наземные средства обеспе­чивают глобальный, региональный, национальный и локальный уров­ни экологического мониторинга.

На глобальном уровне исследуются: параметры атмосферы (темпе­ратурный и газовый профили: содержание углекислого газа, озона, метана, хлора и других газов): параметры океана (температура, цвет­ность, нефтяные загрязнения, уровень воды): запасы льда, солнечная активность и т.д.

На региональном уровне контролируются параметры атмосферы. океанов и морей (те же, что и на глобальном уровне, но с большей детализацией), морские и океанские течения, ураганы и циклоны. движение айсбергов, нефтяные загрязнения, леса. пустыни, посев­ные площади, почвы, запасы снега, разливы рек, пожары и т.д.

На национальном уровне контролируются параметры атмосферы над городами (газовый состав атмосферы и температура), внутрен­ние водоемы (цветность, прозрачность, границы), шельф (границы и дно), почвы (эрозии, влажность, заболоченность), леса, пожары.

В настоящее время в рамках Программы глобального изменения мировое сообщество приступило к исследованиям, основной целью которых является построение прогнозных оценок взаимодействую­щих физических, геологических, химических, биологических н со­циальных процессов, регулирующих земную систему в целом, для определения направления устойчивого развития человечества. Суще­ственным элементом этой программы является создание глобальной системы наблюдения Земли из космоса и документирование данных - EOS.

Проект международной системы EOS (США, Япония и Европей­ское космическое агентство (ЕКА)) предусматривает поэтапный ее ввод к концу 90-х годов. В соответствии с этим проектом в рамках космического сегмента две платформы на полярную орбиту выведут США, одну - ЕКА, одну - Япония. Несмотря на крупномасштабность программы, она не в полной мере охватывает все проблемы глобальной экологии. Тем не менее в ней достаточно аргументирова­но изложена стратегия развития космического сегмента системы.

Отечественные природоресурсные космические программы в той или иной степени охватывают основные перечисленные выше про­блемы соответствующих программ развитых стран. Однако при всей многоплановости они страдают отсутствием четко выраженных на­учно обоснованных приоритетов.

В целом отечественные природоресурсные системы начали созда­ваться в начале 50-х годов и развивались на базе космических аппа­ратов серии «Космос», «Метеор», «Метеор-Природа», пилотируемых объектов. Политические приоритеты космических исследований затрудняли эффективное развитие ресурсного мониторинга, снижали научную эффективность космической информации и космичес­ких комплексов наблюдения в целом (в первую очередь не обеспечи­валось создание и развитие адекватных средств наземной обработки данных). Это привело в конечном итоге к широкому валу космичес­ких аппаратов и низкой народнохозяйственной и научной эффектив­ностью космических средств, хотя с точки зрения развития косми­ческой технологии в нашей стране данное направление обеспечило неоспоримый успех.

Как известно, во исполнение постановления директивных орга­нов. начиная с 1972 года в нашей стране был развернут широкий комплекс научно-исследовательских, проектных и эксперименталь­ных работ по созданию системы исследования природных ресурсов Земли с помощью средств ракетно-космической техники. В основу концепции построения системы были заложены предложения о со­здании двух головных центров приема и первичной обработки кос­мической видеоинформации (ГосНИЦИПР Госкомгидромета - по приему и обработке оперативной информации. Госцентр «Природа» ГУТК - по приему и обработке долговременной информации), а так­же сети отраслевых центров тематической обработки данных.

Начиная с 1975 года при сложившейся тенденции развития косми­ческих средств с приоритетом на пилотируемые объекты, стали чет­ко прослеживаться линии развития указанных головных центров в направлении решения исключительно своих ведомственных задач, что в дальнейшей практике привело к невыполнению основных за­даний директивных органов.

Несмотря на достаточно большие государственные расходы, зна­чительные сроки, прошедшие с начала работ, основные цели и зада­чи постановления директивных органов до сих пор не достигнуты. В частности, не были созданы достаточно мощные наземные центры накопления и обработки данных, что привело к утере огромных масси­вов весьма важных данных, собранных космическими системами за многие годы существования различных систем наблюдения.

К сожалению большая инерционность первоначально заложенной исходной концепции сохраняется. И сейчас основные акценты, с точки зрения затрат на развитие космических систем и наземных средств обработки данных, делаются на пилотируемые объекты типа «Энер­гия» и «Мир», что в условиях тяжелого экономического положения оставляет фантастический разрыв, прежде всего между уровнем кос­мической техники и наземной технологии обработки данных.

В качестве примера можно привести проект программы НПО «Энергия» по созданию глобальной космической системы экологи­ческого мониторинга. Основные задачи системы включают получе­ние данных: о загрязнении воздуха и водоемов суши, вредных выб­росах. кризисных техногенных и природных явлениях, природных ресурсах. И хотя впервые указанная программа отражает общесис­темный взгляд на экологические проблемы сквозь призму информационной технологии, включающей средства сбора, приема, обработ­ки. хранения и представления информации различным пользовате­лям, тем не менее, в космический сегмент системы наряду с тради­ционными космическими аппаратами фотографического наблюдения серии «Ресурс-Ф», оперативного наблюдения «Ресурс-0». «Океан», «Метеор» включаются экспериментальные средства пилотируемой системы «Мир» (модули «Спектр» и «Природа»), тяжелая космичес­кая система «Алмаз».

При очевидной малой эффективности и значительной стоимости пилотируемых КА по сравнению с беспилотными (при одинаковом составе бортовой аппаратуры) для решения широкого спектра эко­логических задач обращают на себя внимание и ограниченные воз­можности указанных средств даже с точки зрения их фактических орбитальных параметров. Здесь четко прослеживается инерционность развития указанных систем в рамках первичных политических при­оритетов. Следует отметить, что создание тяжелых пилотируемых и беспилотных аппаратов внесло определенный технологический про­рыв во всю космическую технологию, включая приборостроение. системы приема данных и т.п. Однако требуется разумная трансфор­мация соответствующих программ, перенос акцентов с пилотируе­мых на беспилотные (автоматы) средства в рамках реальных науч­ных. экономических и экологических приоритетов.

Совершенно очевидно, что вопросы глобальной экологии решать без космических средств невозможно, глобальная экология - это са­мая приоритетная проблема. Средства на исследование и разработ­ку по соответствующим программам должны включать и частные пожертвования.

В заключение следует отметить, что создание глобальной косми­ческой системы экологического мониторинга - это проблема всего мирового сообщества и ее решение потребует определенных политических, научно-технических и экономических усилий в рам­ках ООН

Для глобального контроля экологического состояния планеты мо­гут быть использованы различные космические системы. Однако наи­более эффективными являются специальные системы и спутниковая система для определения местоположения судов и самолетов, потерпевших аварию (система КОСПАС-САРСАТ) . Указанная система является совместной международной спутниковой системой поиска и спасения, разработанной и в настоящее время управляемой организациями Канады, Франции, США и России. В 1993 году к этим государствам присоединились Австралия и Япония. Система КОС­ПАС-САРСАТ в период проведения испытаний и практического при­менения уверенно продемонстрировала возможности использования низкоорбитальных спутников, запущенных на околополярные орби­ты, для глобального обнаружения и определения местоположения аварийных радиобуев.

Однако возможности система КОСПАС-САРСАТ используются не в полной мере. Спутниковая система для определения местополо­жения судов и самолетов, потерпевших аварию, может быть исполь­зована и для определения вида и географических координат радио­датчиков стихийного и экологического бедствия, а также для пелен­гации радиодатчиков угнанных транспортных средств и специаль­ных грузов, перемещающихся из одной страны в другую, из одного населенного пункта в другой.

На базе указанной системы разработана модифицированная спут­никовая система глобального контроля экологического состояния пла­неты (рис.7).

Она содержит 1 аварийных радиобуев l.li (i = 1. .. 1) АРБ - 121,5 МГц с передающими антеннами 1. 2i, J аварийных радиобуев 2.1j ( j = 1..... J) АРБ - 406.025 МГц с передающими антеннами 2. 2J. К ра­диодатчиков 3.1к (к = 1....К) угнанных транспортных средств, М, N радиодатчиков 4.1m ( m = 1.....М). 5in (n = 1.....N ) стихийного и эко­логического бедствий соответственно, бортовые приемники ПРМ1 + ПРМЗ, запоминающие устройства ЗУ1, ЗУ2, бортовой передатчик ПРД, передающую антенну АЧ ,блок управления БУ, пункт приема информации ППИ, наземный приемник ПРМ с антенной А, устрой­ства обработки У01 , У03,. устройство контроля УК и системы свя­зи ОС поисково-спасательных организаций.

Принцип действия системы основан на использовании радиодат­чиков (РД) стихийного и экологического бедствий и аварийных радио­буев (АРБ), которые излучают сложные фазоманипулированные (ФМН) сигналы, обнаруживаемые и принимаемые спутниками сис­темы с целью последующей ретрансляции на ПЛИ для обработки и определения местоположения РД и АРБ. Сообщения о бедствии и координаты аварийного объекта затем передаются через центр уп­равления системой (ЦУС) или национальный спасательно-коорди­национный центр в соответствующую экологическую службу или в поисково-спасательную службу с целью развертывания операции по ликвидации экологического бедствия или поисково-спасательной операции.

Зона обслуживания системы КОСПАС-САРСАТ определяется количеством и географическим расположением ПЛИ. Каждый ПЛИ обслуживает район с радиусом, равным примерно 2500 км. В систе­му КОСПАС-САРСАТ входят 15 ПЛИ, дислоцированных в семи стра­нах. В России ПЛИ расположены в Архангельске, Москве. Новоси­бирске и Владивостоке.

Координаты АРБ определяются на основе измерения с помощью ИСЗ доплеровского смещения частоты принимаемого от АРБ сигна­ла. Несущая частота передатчика АРБ достаточно стабильна в тече­ние времени взаимной радиовидимости АРБ-ИСЗ. В настоящее время имеются три типа АРБ: авиационные, морские и переносные (для использования на суше), которые работают на частоте 121.5 МГц -международная аварийная частота - и в диапазоне частот 406-406,1 МГц. АРБ 2.1J. работающие в диапазоне 406-406.1 МГц. технически более сложны, чем АРБ 1. И, в связи с включением в состав сообще­ния идентификационного кода и другой информации, способствую­щей проведению поисково-спасательной операции.

Рис.7 . Структурная схема глобальной космической системы экологического контроля

Использование низковысотных околополярных спутников в сис­теме позволяет оптимизировать применение эффекта Доплера, сни­зить требования к мощности излучения АРБ, получить сравнитель­но короткие временные интервалы между последовательными про­ходами ИСЗ над районами наблюдения и обеспечить глобальный последовательный охват Земли. Решение задачи по определению ко­ординат АРБ за одно прохождение ИСЗ по доплеровским измерени­ям дает две пары координат по обе стороны от трассы прохождения спутника - истинные и ложные (зеркальные) координаты АРБ. Уст­ранение указанной неоднозначности решается математическими ме­тодами, в основе которых лежит то обстоятельство, что симметрич­ность доплеровских отсчетов нарушается в связи с вращением Зем­ли. При достаточно высокой стабильности частоты излучения, что наблюдается в случае применения АРБ 2.1) (j = 1.....J), истинные координаты АРБ определяются за одно прохождение АРБ. При при­еме сигналов от АРБ li( i = 1.....J) неоднозначность разрешается во время второго прохождения спутника, если это не удается сделать при первом прохождении.

В состав системы (нормальная конфигурация) входят четыре спут­ника, два из которых представляются и поддерживаются стороной КОСПАС и два - стороной САРСАТ.

В системе КО С ПАС-CAP CAT для обнаружения сигналов АРБ и определения их местоположения используются два режима работы:

режим приема и передачи информации в реальном масштабе време­ни и режим приема с запоминанием информации на борту ИСЗ и ее последующей передачи на пункт приема информации при нахожде­нии ИСЗ в зоне радиовидимости ППИ. АРБ И (i = 1,...,!) могут ис­пользоваться только в режиме непосредственной передачи, в то вре­мя как АРБ 2j (j = 1 ....J) могут использоваться в обоих режимах работы.

Бортовой ретранслятор ИСЗ на частоте 121.5 МГц обеспечивает ретрансляцию сигналов АРБ 11 непосредственно на ППИ. Если в мо­мент приема сигнала на спутнике ППИ также находится в его видимо­сти, то сигнал АРБ может быть принят и обработан аппаратурой на­земного комплекса ППИ. После приема на ИСЗ сигналов от АРБ 2 бортовой процессор производит измерение доплеровской частоты сигнала, а также обработку и сортировку цифровой информации, находящейся в сообщении АРБ. В процессе обработки сообщение АРБ привязывается к меткам времени, преобразуется в цифровой вид и передается в реальном масштабе времени на любой ПГТИ. находя­щийся в зоне видимости ИСЗ. Одновременно указанная информа­ция записывается в запоминающее устройство ЗУ1 для последую­щей передачи на ПГТИ, когда последний находится в зоне видимости ИСЗ. Такой режим обеспечивает прием аварийного сообщения все­ми ППИ системы, находящимися в эксплуатации.

Важной особенностью нового поколения АРБ является включе­ние в состав его излучения цифрового сообщения, которое несет информацию о принадлежности АРБ (страна), идентификационном номере судна или самолета и виде бедствия. В состав сообщения АРБ, установленных на судах, может быть также включена информация о местоположении судна, введенная вручную или автоматически от судовых радионавигационных приборов. В состав АРБ 2j может быть также включен передатчик, излучающий сигналы для привода поис­ково-спасательных средств на АРБ. Информация о типе используе­мого приводного радио оборудования также включена в состав ава­рийного сообщения. Включение АРБ может производиться вручную или автоматически в зависимости от его модификации.

Бортовой приемник ПРМ1 обеспечивает прием сигналов от АРБ li (i= 1.....I) на частоте 121.5 МГц. Постоянный уровень выходного сигнала обеспечивается устройством автоматической регулировки усиления (АРУ). Бортовой приемник ПРМ2 обеспечивает прием сиг­налов от АРБ 2j (|= J,.... J) в диапазоне частот 406-405.1 МГц и выполняет следующие функции: демодуляцию сигналов, измерение их частоты, привязку меток времени к проведенным измерениям. Бортовой приемник ПРМЗ обеспечивает прием сигналов от радио­датчиков 3 к (к = 1,.... К), 4m(m = 1,.... М), 5 n( n = 1,... ,N) в диапазоне частот 406 -406, J МГц и выполняет следующие функции: обнаруже­ние и селекцию ФМн-сигналов в указанном диапазоне частот, по­давление дополнительных (зеркальных и комбинационных) каналов приема, автокорреляционное детектирование ФМн-сигналов, точную и однозначную пеленгацию радиодатчиков РД, привязку результатов проведенных измерений к меткам времени.