stringtranslate.com

QuikSCAT

NASA QuikSCAT ( Quick Scatterometer ) был спутником наблюдения за Землей, на борту которого находился скаттерометр SeaWinds . Его основной задачей было измерение скорости и направления поверхностного ветра над свободными ото льда мировыми океанами посредством его воздействия на волны на воде . Наблюдения с QuikSCAT имели широкий спектр применений и внесли вклад в климатологические исследования, прогнозирование погоды, метеорологию, океанографические исследования, безопасность на море, коммерческое рыболовство, отслеживание крупных айсбергов и исследования наземного и морского льда и т. д. Этот скаттерометр SeaWinds называется скаттерометром QuikSCAT, чтобы отличить его от почти идентичного скаттерометра SeaWinds, установленного на спутнике ADEOS-2 .

Описание миссии

QuikSCAT был запущен 19 июня 1999 года с первоначальным требованием к миссии в 3 года. QuikSCAT был миссией «быстрого восстановления», заменившей NASA Scatterometer (NSCAT), который преждевременно вышел из строя в июне 1997 года всего через 9,5 месяцев эксплуатации. Однако QuikSCAT намного превзошел эти проектные ожидания и продолжал работать более десяти лет, прежде чем отказ подшипника на двигателе антенны положил конец возможностям QuikSCAT по определению полезной информации о поверхностном ветре 23 ноября 2009 года. Запись геофизических данных QuikSCAT охватывает период с 19 июля 1999 года по 21 ноября 2009 года. Хотя тарелка не могла вращаться после этой даты, ее радиолокационные возможности остались полностью нетронутыми. Он продолжал работать в этом режиме до полного завершения миссии 2 октября 2018 года. Данные из этого режима миссии использовались для повышения точности других наборов данных о поверхностном ветре со спутника путем интеркалибровки других скаттерометров Ku-диапазона.

QuikSCAT измерял ветер в полосах измерения шириной 1800 км, центрированных на наземной траектории спутника без зазора в надире, как это происходит с веерными рефлектометрами, такими как NSCAT. Благодаря своей широкой полосе и отсутствию зазоров внутри полосы QuikSCAT смог собрать по крайней мере одно векторное измерение ветра на 93% Мирового океана каждый день. Это значительно лучше, чем 77% покрытия, предоставляемого NSCAT. Каждый день QuikSCAT регистрировал более 400 000 измерений скорости и направления ветра. Это в сотни раз больше измерений поверхностного ветра, чем собирается обычно с судов и буев.

QuikSCAT обеспечил измерения скорости и направления ветра на высоте 10 метров над поверхностью моря с пространственным разрешением 25 км. Информацию о ветре невозможно получить в пределах 15–30 км от береговой линии или при наличии морского льда. Осадки, как правило, снижают точность измерения ветра, [1] хотя полезную информацию о ветре и дожде все еще можно получить в средних широтах и ​​тропических циклонах для целей мониторинга. [2] Помимо измерения поверхностных ветров над океаном, скаттерометры, такие как QuikSCAT, также могут предоставлять информацию о дробном покрытии морского льда, отслеживать большие айсберги (>5 км в длину), различать типы льда и снега и обнаруживать линию замерзания-таяния в полярных регионах.

Хотя вращающаяся антенна-тарелка больше не может вращаться, как задумано, остальная часть прибора остается функциональной, а возможности передачи данных остаются нетронутыми, хотя он не может определять вектор поверхностного ветра. Однако он все еще может измерять обратное рассеяние радара под фиксированным углом азимута. QuikSCAT используется в этом сокращенном режиме для перекрестной калибровки других скаттерометров в надежде на предоставление долгосрочных и последовательных наборов данных о поверхностном ветре на нескольких платформах скаттерометров на орбите, включая действующий усовершенствованный скаттерометр (ASCAT) Европейской организации по эксплуатации метеорологических спутников (EUMETSAT) на MetOp-A и MetOp-B , индийский скаттерометр Oceansat-2 , эксплуатируемый Индийской организацией космических исследований (ISRO) , и китайский скаттерометр HaiYang-2A (HY-2A), эксплуатируемый Национальной службой спутниковых океанических приложений Китая, а также будущие миссии скаттерометров NASA, находящиеся в разработке. В 2011 году экспертная группа NASA одобрила продолжение миссии QuikSCAT с этими измененными целями до 2018 года. 2 октября 2018 года было объявлено, что QuikSCAT полностью выведен из эксплуатации.

Описание инструмента

SeaWinds использовал вращающуюся тарелку с двумя точечными лучами, которые движутся по круговой схеме. Антенна состоит из вращающейся тарелки диаметром 1 метр, которая создает два точечных луча, движущихся по круговой схеме. [3] Она излучает 110 Вт микроволновых импульсов с частотой повторения импульсов (PRF) 189 Гц. QuikSCAT работает на частоте 13,4 ГГц, что находится в Ku-диапазоне микроволновых частот. На этой частоте атмосфера в основном прозрачна для неосадочных облаков и аэрозолей, хотя дождь производит значительное изменение сигнала. [4]

Космический аппарат находится на солнечно-синхронной орбите , с экваториальным временем пересечения восходящих полос около 06:00 LST ±30 минут. Вдоль экватора последовательные полосы разделены 2800 км. QuikSCAT вращается вокруг Земли на высоте 802 км и со скоростью около 7 км в секунду.

Описание измерения

Точность измерения ветра

Принципы измерения

Такие скаттерометры, как QuikSCAT, излучают импульсы маломощного микроволнового излучения и измеряют мощность, отраженную обратно к своей приемной антенне от взволнованной ветром морской поверхности. Гравитационные и капиллярные волны на морской поверхности, вызванные ветром, отражают или рассеивают мощность, излучаемую радаром скаттерометра, в основном посредством резонансного состояния Брэгга . Длина волн этих волн составляет примерно 1 см и обычно находится в равновесии с локальным поверхностным ветром. Над водными поверхностями обратное микроволновое рассеяние тесно связано со скоростью и направлением поверхностного ветра. Конкретная длина волны поверхностных волн определяется длиной волны микроволнового излучения, излучаемого радаром скаттерометра.

QuikSCAT состоит из активного микроволнового радара, который выводит поверхностный ветер из шероховатости морской поверхности на основе измерений поперечного сечения обратного рассеяния радара, обозначаемого как σ 0 . σ 0 изменяется в зависимости от скорости и направления поверхностного ветра относительно азимута антенны, угла падения, поляризации и частоты радара. QuikSCAT использует двухлучевую коническую сканирующую антенну, которая замеряет весь диапазон углов азимута во время каждого оборота антенны. Измерения обратного рассеяния получаются при фиксированных углах падения 46° и 54°, обеспечивая до четырех видов каждой области поверхности под разными углами падения.

Стандартная обработка измерений QuikSCAT дает пространственное разрешение около 25 км. Более высокое пространственное разрешение 12,5 км также достигается с помощью специальной обработки, но имеет значительно больше шума измерений. Еще более высокое пространственное разрешение 5 км также получается, но только для ограниченных регионов и особых случаев.

Наблюдения σ0 калибруются по скорости и направлению ветра на высоте 10 метров над поверхностью моря.

Строительство и запуск

Запуск Titan II 19 июня 1999 г.

В 1996 году NASA Scatterometer (NSCAT) был запущен на борту японского усовершенствованного спутника наблюдения за Землей ( ADEOS-1 ). Этот спутник был разработан для регистрации поверхностных ветров над водой по всему миру в течение нескольких лет. Однако неожиданный сбой в 1997 году привел к досрочному прекращению проекта NSCAT. После этой кратковременно успешной миссии NASA начало строительство нового спутника для замены неудавшегося. Они планировали построить его и подготовить к запуску как можно скорее, чтобы сократить разрыв в данных между двумя спутниками. [5] Всего за 12 месяцев спутник Quick Scatterometer (QuikSCAT) был построен и готов к запуску, быстрее, чем любая другая миссия NASA с 1950-х годов. [6]

Первоначально бюджет проекта QuikSCAT составлял 93 миллиона долларов, включая физический спутник, ракету-носитель и постоянную поддержку его научной миссии. [7] Серия неудач с ракетами в ноябре 1998 года остановила флот пусковых установок Titan (семейство ракет) , задержала запуск QuikSCAT и добавила 5 миллионов долларов к этой первоначальной стоимости. [7]

На спутнике был установлен новый прибор — скаттерометр SeaWinds. Прибор SeaWinds, специализированная микроволновая радарная система, измеряла как скорость, так и направление ветра вблизи поверхности океана. Он использовал два радара и вращающуюся антенну для регистрации данных по девяти десятым океанов мира за один день. Он ежедневно регистрировал около четырехсот тысяч измерений ветра, каждое из которых охватывало область шириной 1800 километров (1100 миль). [6] Лаборатория реактивного движения и команда NSCAT совместно управляли проектом строительства спутника в Центре космических полетов имени Годдарда . Ball Aerospace & Technologies Corp. поставляла материалы для строительства спутника.

В связи с рекордно короткими сроками строительства инженеры, работавшие над проектом, были удостоены Американской премии за достижения в области электроники. Это стало возможным только благодаря новому типу контракта, разработанному специально для этого спутника. Вместо обычного года, отводимого на выбор контракта и начало разработки, он был ограничен одним месяцем. [8]

Недавно построенный спутник был готов к запуску на ракете Titan II с базы ВВС Ванденберг в Калифорнии. Ракета стартовала в 7:15 вечера по тихоокеанскому времени 19 июня 1999 года. Примерно через две минуты и тридцать секунд после запуска первый двигатель был выключен, а второй был включен, когда он двигался над полуостровом Нижняя Калифорния . Минуту спустя носовой конус в верхней части ракеты разделился на две части. Шестнадцать секунд спустя ракета была переориентирована, чтобы защитить спутник от солнца. В течение следующих 48 минут два корабля летели над Антарктидой, а затем над Мадагаскаром, где ракета достигла желаемой высоты 500 миль (800 км). [9]

Через 59 минут после запуска спутник отделился от ракеты и был выведен на круговую орбиту вокруг Земли. Вскоре после этого были развернуты солнечные батареи, и в 8:32 вечера по тихоокеанскому времени была установлена ​​связь со спутником со станцией слежения в Норвегии. В течение следующих двух недель шаттл использовал импульсы от своего двигателя для точной настройки своего местоположения и корректировки своего курса в соответствии с желаемым движением. 7 июля, через восемнадцать дней после взлета, был включен скаттерометр, и группа из 12 человек провела подробные проверки функционирования QuikSCAT. Через месяц после выхода на орбиту группа завершила проверки, и QuikSCAT начал собирать и передавать измерения обратного рассеяния. [9]

Приложения

Прогнозирование погоды

Многие оперативные центры численного прогнозирования погоды начали ассимиляцию данных QuikSCAT в начале 2002 года, и предварительные оценки показали положительное влияние. [10] Национальные центры прогнозирования окружающей среды США (NCEP) и Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF) стали лидерами, инициировав ассимиляцию ветров QuikSCAT, начавшуюся, соответственно, 13 января 2002 года и 22 января 2002 года. Приземные ветры QuikSCAT стали важным инструментом для анализа и прогнозирования в Национальном центре ураганов США с тех пор, как стали доступны в режиме, близком к реальному времени, в 2000 году. [11]

Ветровые поля QuikSCAT также использовались в качестве инструмента для анализа и прогнозирования внетропических циклонов и морской погоды за пределами тропиков в Центре прогнозирования океанов США [12] и Национальной метеорологической службе США . [10] [13]

Данные также предоставлялись в режиме реального времени по большинству свободных ото льда мировых океанов, включая традиционно скудные по данным регионы океана, где ведется мало наблюдений, например, в Южном океане и восточной тропической части Тихого океана.

Наблюдения QuikSCAT предоставляются этим оперативным пользователям в режиме, близком к реальному времени (NRT) в универсальной двоичной форме для представления метеорологических данных (BUFR) в формате Национального управления океанических и атмосферных исследований/Национальной службы спутниковых данных и информации об окружающей среде (NOAA/NESDIS) . [14] Целевое время ожидания данных составляет 3 часа, и почти все данные доступны в течение 3,5 часов с момента измерения. Чтобы соответствовать этим требованиям, алгоритмы обработки данных QuikSCAT NRT объединяют самые мелкие измерения обратного рассеяния в меньшее количество составных частей, чем алгоритмы научных данных. В остальном алгоритмы обработки QuikSCAT NRT идентичны алгоритмам научных данных.

Океанография

Лед на суше и на море

Изображение Антарктиды, полученное прибором SeaWinds 24 мая 2000 г.

Изменчивость климата

Тропические циклоны

Изображение урагана Катрина над Мексиканским заливом , полученное с помощью QuikSCAT 28 августа 2005 г.

Применение QuikSCAT в оперативном анализе и прогнозировании тропических циклонов в Национальном центре по наблюдению за ураганами включает определение и определение местоположения центра тропических циклонов , оценку его интенсивности и анализ радиуса ветра. [2] [11] Способность скаттерометра регистрировать скорость ветра на поверхности позволяет метеорологам определять, формируется ли область низкого давления, и повышать способность прогнозировать внезапные изменения структуры и силы.

Первым тропическим циклоном, зафиксированным прибором SeaWinds, был тайфун Ольга в западной части Тихого океана . Система отслеживалась спутником с момента ее зарождения 28 июля до ее исчезновения в начале августа. [15]

В 2007 году Билл Проенза , глава Национального центра по ураганам в то время, заявил в публичном сообщении, что потеря спутника QuikSCAT нанесет ущерб качеству прогнозов ураганов. [16] Это произошло после аномалии батареи, из-за которой космический аппарат временно не мог выполнять номинальные научные наблюдения из-за ограниченной мощности. [17] Он утверждал, что трехдневные прогнозы будут примерно на 16% менее точными после потери QuikSCAT. [18] Эта позиция была спорной, поскольку она основывалась на неопубликованных данных. [16] Хотя спутник помогает прогнозировать положение и интенсивность ураганов, он делает это не исключительно.

2009 отказ подшипника

Последнее изображение, полученное из данных QuikSCAT (помещенное поверх двух изображений GOES) незадолго до того, как антенна перестала вращаться. Обратите внимание на небольшую область, где присутствуют данные о ветре, по сравнению с областью, охваченной изображением. [19]

В середине 2009 года было замечено постепенное ухудшение подшипников механизма вращения антенны. Трение, вызванное этим ухудшением, замедлило скорость вращения антенны, что привело к пробелам в данных, зарегистрированных QuikSCAT. Антенна в конечном итоге вышла из строя 23 ноября 2009 года. [20] После выхода из строя было объявлено, что спутник, вероятно, завершил свою миссию и больше не будет использоваться. [19] Было подтверждено, что датчик на спутнике вышел из строя около 07:00  UTC . Потеря затронула только оборудование сканирования в реальном времени; долгосрочный сбор данных остался нетронутым и работоспособным. [18] По данным НАСА, отказ был вызван возрастом спутника. Механизм, который заклинил, был рассчитан всего на пять лет; однако он оставался работоспособным примерно десять лет, что вдвое больше ожидаемого срока использования. 24 ноября менеджеры НАСА начали оценивать, насколько сильно пострадал спутник, и можно ли перезапустить вращающуюся антенну. Также были рассмотрены планы действий на случай сбоя QuikSCAT. [20]

Замена этому космическому аппарату, ISS-RapidScat , была запущена в 2014 году. [21]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Дрейпер, Дэвид В.; Лонг, Дэвид Г. (2004). «Оценка влияния дождя на измерения скаттерометра морских ветров». Журнал геофизических исследований . 109 (C12): C02005. Bibcode : 2004JGRC..109.2005D. doi : 10.1029/2002JC001741 .
  2. ^ ab Said, Faozi; Long, David G. (2011). «Определение выбранных характеристик тропических циклонов с использованием изображений сверхвысокого разрешения QuikSCAT». Журнал IEEE по избранным темам в области прикладных наблюдений за Землей и дистанционного зондирования . 4 (4): 857–869. Bibcode : 2011IJSTA...4..857S. doi : 10.1109/JSTARS.2011.2138119. S2CID  15196436.
  3. ^ Спенсер, М. В.; Ву, К.; Лонг, Д. Г. (2000). «Измерения обратного рассеяния с улучшенным разрешением с помощью карандашного скаттерометра Sea Winds». Труды IEEE по геонауке и дистанционному зондированию . 38 (1): 89–104. Bibcode : 2000ITGRS..38...89S. doi : 10.1109/36.823904. S2CID  12770962.
  4. ^ Stiles, BW; Yueh, SH (2002). «Влияние дождя на данные космического скаттерометра ветра Ku-диапазона». Труды IEEE по геонауке и дистанционному зондированию . 40 (9): 1973–1983. Bibcode : 2002ITGRS..40.1973S. doi : 10.1109/TGRS.2002.803846 .
  5. ↑ Staff Writer (18 июня 1998 г.). «NSCAT прокладывает путь будущим миссиям Ocean Winds». NASA. Архивировано из оригинала 17 февраля 2013 г. Получено 24 ноября 2009 г.
  6. ^ ab Staff Writer (18 июня 1998 г.). «Инструмент SeaWinds отправлен для интеграции QuikSCAT». NASA. Архивировано из оригинала 17 февраля 2013 г. Получено 24 ноября 2009 г.
  7. ^ ab Warren E. Leary (15 июня 1999 г.). «Судно для отслеживания связи моря и ветра, влияющих на климат». New York Times . Получено 25 ноября 2009 г.
  8. ↑ Staff Writer (4 июня 1999 г.). «QuikSCAT Team Wins American Electronics Achievement Award». NASA. Архивировано из оригинала 17 февраля 2013 г. Получено 24 ноября 2009 г.
  9. ^ ab Staff Writer (19 июня 1999 г.). "Спутник NASA QuikSCAT Ocean Wind Satellite успешно запущен". NASA. Архивировано из оригинала 17 февраля 2013 г. Получено 25 ноября 2009 г.
  10. ^ ab Atlas, R.; Hoffman, RN; Leidner, SM; Sienkiewicz, J.; Yu, TW.; Bloom, SC; Brin, E.; Ardizzone, J.; Terry, J.; Bungato, D.; Jusem, JC (2001). "Влияние морских ветров на данные скаттерометра на анализ и прогнозирование погоды". Бюллетень Американского метеорологического общества . 82 (9): 1965–1990. Bibcode : 2001BAMS...82.1965A. doi : 10.1175/1520-0477(2001)082<1965:TEOMWF>2.3.CO;2 .
  11. ^ ab Brennan, MJ; Hennon, CC; Knabb, RD (2009). «Оперативное использование векторов ветров на поверхности океана QuikSCAT в Национальном центре по наблюдению за ураганами». Weather and Forecasting . 24 (3): 621–645. Bibcode : 2009WtFor..24..621B. doi : 10.1175/2008WAF2222188.1 .
  12. ^ Фон Ан, Дж. М.; Сенкевич, Дж. М. и Чанг, П. С. (2006). «Эксплуатационное воздействие ветров QuikSCAT на Центр прогнозирования океана NOAA». Погода и прогнозирование . 21 (4): 521–539. Bibcode : 2006WtFor..21..523V. doi : 10.1175/WAF934.1 .
  13. ^ Chelton, DB; Freilich, MH; Sienkiewicz, JM & Von Ahn, JM (2006). «Об использовании измерений скаттерометра QuikSCAT приповерхностных ветров для прогнозирования морской погоды». Monthly Weather Review . 134 (8): 2055–2071. Bibcode : 2006MWRv..134.2055C. doi : 10.1175/MWR3179.1 .
  14. ^ Хоффман, Р. Н.; Лейднер, С. М. (2005). «Введение в данные QuikSCAT, близкие к реальному времени». Погода и прогнозирование . 20 (4): 476–493. Bibcode : 2005WtFor..20..476H. doi : 10.1175/WAF841.1 .
  15. ↑ Staff Writer (9 августа 1999 г.). «SeaWinds Captures Fury of Typhoon Olga». NASA. Архивировано из оригинала 17 февраля 2013 г. Получено 25 ноября 2009 г.
  16. ^ ab Ken Kayes (24 ноября 2009 г.). "Спутник QuikSCAT умирает". Sun Sentinel . Получено 24 ноября 2009 г.
  17. ↑ Staff Writer (5 декабря 2007 г.). «Пробелы в данных QuikSCAT из-за неполадки в работе батареи». Physical Oceanography Distributed Active Archive Center . NASA. Архивировано из оригинала 1 июня 2013 г. Получено 21 июня 2012 г.
  18. ^ ab Eliot Kleinberg (23 ноября 2009 г.). "Спутник QuikSCAT выходит из строя". The Palm Beach Post . Архивировано из оригинала 26 ноября 2009 г. Получено 24 ноября 2009 г.
  19. ^ ab Staff Writer (24 ноября 2009 г.). "Спутник QuikSCAT прекращает работу". CIMSS . Получено 24 ноября 2009 г.
  20. ^ ab Alan Buis (24 ноября 2009 г.). "NASA Assessing New Roles for Ailing QuikScat Satellite". NASA . Получено 24 ноября 2009 г. .[ постоянная мертвая ссылка ]
  21. ^ «Скаттерометрия — Обзор».

Внешние ссылки