Международная космическая станция – экологический патруль.
Роль пилотируемых космических  кораблей и орбитальных станций в изучении глобальных изменений Земли

На главную страницу семинара


Тема 2.  Современные геоэкологические исследования с Международной орбитальной станции. Программа мониторинга опасных природных явлений и катастроф «Ураган»


2.1. Об эксперименте «Ураган»

На борту российского сегмента Международной космической станции (МКС) проводится эксперимент «Ураган», в процессе которого выполняются съемки для обнаружения, изучения и прогнозирования как природных, так и техногенных катаклизмов (землетрясений, извержений вулканов, наводнений, лесных пожаров, ураганов, аварий на трубопроводах и т.д.).

В последнее время люди всё чаще сталкиваются со стихийными природными явлениями, ущерб от которых постоянно возрастает. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, в условиях научно-технического прогресса хозяйственная деятельность людей распространяется на такие области (прежде всего высокогорные районы), где сила и частота стихийных явлений выше, чем на уже освоенных территориях. Во-вторых, внедряясь в природу, люди часто нарушают сложившиеся в ней связи, провоцируют нежелательные и опасные явления. В результате возникает парадокс – по мере развития науки и техники общество становится всё более зависимым от природы. Конечно, с развитием цивилизации количество жертв стихийных бедствий уменьшается, однако суммарный ущерб, к которому они приводят, возрастает.
Прогнозирование катастроф способно предотвратить или хотя бы уменьшить их последствия.

Программа «Ураган» предусматривает исследование природных ресурсов, мониторинг окружающей среды, изучение и прогнозирование природных и техногенных катастроф.
Её конечная цель – выработка требований к наземно-космической системе предупреждения катастроф. Для этого необходимо выяснить, какая аппаратура наиболее удобна для наблюдения тех или иных явлений, оптимизировать её параметры, разработать методы и средства оперативной передачи информации и её обработки и т.п. Система предупреждения катастроф должна реализовываться на базе беспилотных аппаратов, а орбитальная станция является своеобразным «полигоном» для отработки средств и методов, которые будут задействованы на специализированных космических аппаратах.

Использование цифровых фотокамер позволяет получать оперативную информацию о состоянии целых регионов или точечных объектов (например, сошедшей на горную дорогу лавине, очаге лесного пожара и т.п.).

Эксперимент «Ураган» выполняется с первых дней функционирования станции в пилотируемом режиме и служит логическим продолжением программы визуально-инструментальных исследований земной поверхности, которая восходит к началу 70-х годов. В эксперименте «Ураган» на МКС используются наработки, полученные во время длительных полётов станций «Салют-6», «Салют-7» и «Мир». Постановщики эксперимента на протяжении всех 30 лет: ракетно-космическая корпорация «Энергия» и Институт географии РАН. Корпорация несёт на себе организующие функции, финансовое обеспечение, техническое оснащение и управление экспериментом «Ураган», а Институт географии выполняет научную часть, включающую разработку программы наблюдений и съёмок, обучение космонавтов по заданиям экспериментов, оперативное сопровождение работы экипажа на орбите и анализ получаемых материалов мониторинга земной поверхности.

Программа «Ураган» состоит из трёх частей.

  Первая часть – основная – съёмка земной поверхности с помощью цифровых фотоаппаратов. Чаще всего используется камера Kodak DSC 760 со сменными объективами, размер кадра 3012×2048 пикселов.
Орбита Международной космической станции проходит над Землёй на высоте около 380-390 км, и качество получаемых материалов зависит от угла визирования, т.е. отклонения оси съёмочной камеры от вертикали и от фокусного расстояния объектива. Так, при съёмке с высоты 380 км объективом с фокусным расстоянием 800 мм фотографируется площадь 16
×11 км с разрешением на местности около 5 м, а без конвертора – 32×22 км, с разрешением 10 м. Меняя фокусное расстояние объектива, можно и далее увеличивать площадь съёмки с каждым кадром, ухудшая разрешение. Иногда выполняется перспективная съёмка вплоть до захвата горизонта Земли. И всё же чаще востребованы снимки с наиболее высоким разрешением.

В таблице показано соотношение фокусного расстояния объектива, охвата кадра и разрешения на местности у снимков, полученных с МКС.

Фокусное расстояние
 объектива

Охват территории

Пространственное
 разрешение

800 мм

16 × 11 км

5 м

400 мм

32 × 22 км

10 м
200 мм

64 × 44 км

20 м

Цифровая съёмка производится в натуральных цветах, изображения записываются в форматах DSR, TIFF и JPEG. С учетом реальных ограничений по наклонению орбиты МКС к плоскости экватора (51.6°) возможно получение высококачественных изображений территорий, расположенных в пределах 56° северной и южной широт. Это большой пробел в исследованиях, так как сильно влияющие на «самочувствие» нашей планеты крайние северные и южные районы с МКС увидеть нельзя.

Космонавт Николай Бударин, борт-инженер 6 экспедиции МКС, выполняет съёмку Земли стационарной камерой. (Источник: NASA JSC: http://spaceflight.nasa.gov/gallery/images/station/index.html)


Вторая часть программы «Ураган» –  видеосъёмка с целью получения данных для создания учебных географо-экологических программ для школьников, студентов и др.

Третья часть – исследования природных ландшафтов с помощью бинокулярного зрительного устройства «Рубинар», который обеспечивает просмотр участков земной поверхности с разрешением на местности до трёх метров.

Здесь можно посмотреть фотоснимки космонавтов, выполняющих съёмку или наблюдения Земли


Наверх

На главную страницу семинара

Орбитальный мониторинг в рамках эксперимента «Ураган» особенно актуален для нашей страны, поскольку существовавшие в Советском Союзе космические средства дистанционного зондирования Земли существенно поредели.
Самые доступные снимки со спутников Федеральной службы геодезии и картографии «Ресурс-Ф» перестали обновляться с осени 1999 года. К тому же на этих спутниках использовалась фотоплёнка, которая уже не отвечает современным требованиям. Пока вполне доступны цифровые снимки со спутников Росгидромета «Ресурс-О», «Метеор-3М», но даже лучшие из них имеют разрешение на местности около 30 метров, что ограничивает их применение. Так что пока проект «Ураган» остается единственным техническим средством получения отечественных снимков достаточного для мониторинга природной среды и катастроф разрешения в российской программе дистанционного зондирования Земли.

На борту российского сегмента космической станции имеется необходимый комплект аппаратуры, программного обеспечения и документации эксперимента «Ураган». Ключевое значение здесь принадлежит портативному компьютеру Notebook Thinkpad IBM P21 (EGE2), на котором установлена программа «Сигма»  (в центре кадра) и где хранятся все снимки, полученные цифровой фотокамерой. Этот компьютер не подключен в контур управления МКС и используется только для нужд «Урагана».

Модуль «Звезда»,  откуда выполняются съёмки и наблюдения Земли, в центре – бортовой компьютер с работающей программой «Сигма»

 
 

«Сигма» (разработка РКК «Энергия») – уникальный программный продукт, который даёт возможность космонавтам детально планировать съёмку и наблюдения. Работая с программой «Сигма», космонавты видят ту же карту, что выведена на большой экран московского ЦУПа. Маленький красный кружочек, перемещаясь вдоль синусоиды трассы МКС над планетой, показывает текущее положение станции.
В каждом случае космонавт узнаёт о высоте положения Солнца над местным горизонтом и его расположении относительно станции, о возможной помехе от блика, об удалении запланированного объекта съёмок от трассы и углах визирования на него, о времени появления объекта на траверсе МКС и много другой необходимой информации. Простым перебором клавиш космонавт моделирует картину земной поверхности и небосвода, которая откроется в любой иллюминатор российского сегмента станции. Моделированное изображение местности для любого из 9 иллюминаторов выводится на экран компьютера, что облегчает космонавту выбор иллюминатора для выполнения съемки.
У космонавтов есть возможность моделировать положение станции над Землёй и на много часов или недель вперед, и «возвращать» МКС обратно во времени, изменяя дату и время в верхней строке экрана.
 

«Сигма» имеет мощную картографическую поддержку. Космонавт может подгружать и мелкомасштабные карты любого региона Земли, и крупномасштабные, на которых видны даже незначительные населённые пункты.
Здесь представлено изображение, создаваемое программой «Сигма»,  моделирующее положение станции на орбите (красный кружок) вечером 22 ноября 2004
 г. при пролёте станции над Чёрным морем. Можно просмотреть примеры карт более крупных масштабов, подгружаемые в программе, для наиболее точного выбора момента съёмки определённого участка местности.

Важно подчеркнуть, что в рамках программы «Ураган» благодаря участию космонавтов выполняются интеллектуальные съёмки, поскольку космонавты осуществляют выбор заданного объекта, время и момент фотографирования, могут корректировать задания на съёмку по указаниям с Земли, фотографировать замеченные быстропротекающие явления, чего невозможно достичь в режиме автоматической съёмки Земли со спутников. Например, с первого взгляда нелегко найти Сарезское озеро на снимке Памира, однако космонавту удается найти и сфотографировать его даже на скорости 7 км в секунду.


Наверх

На главную страницу семинара      |     Интернет-семинары