Американские геостационарные метеорологические спутники GOES

Введение

Серия американских метеорологических спутников

Геостационарный операционный экологический спутник (GOES), управляемый подразделением Национальной службы спутниковых данных и информации Национального управления океанических и атмосферных исследований США (NOAA), поддерживает прогнозирование погоды, отслеживание сильных штормов и метеорологические исследования. Космические и наземные элементы системы работают совместно, обеспечивая непрерывный поток данных об окружающей среде. Национальная метеорологическая служба (NWS) и Метеорологическая служба Канады используют систему GOES для мониторинга погоды и прогнозирования в Северной Америке, а научные исследователи используют данные для лучшего понимания динамики суши, атмосферы, океана и климата. Система GOES использует геосинхронные экваториальные спутники, которые, начиная с запуска SMS 1 в 1974 году, являются базовым элементом мониторинга и прогнозирования погоды в США. Закупку, проектирование и производство спутников GOES осуществляет под контролем NASA. NOAA является официальным поставщиком как наземных данных GOES, так и данных о космической погоде GOES. Доступ к данным также возможен с использованием программного обеспечения SPEDAS.

Неактивные или переназначенные

Несколько спутников GOES все еще находятся на орбите, но либо неактивны, либо были переназначены. Хотя GOES 3 прекратил использоваться для метеорологических операций в 1989 году, он более 20 лет служил важной частью связи между США и станцией Амундсена — Скотта на Южном полюсе, прежде чем был выведен из эксплуатации в 2016 году. Геостационарные спутники расходуют топливо для поддержания неподвижного положения над экватором и поэтому обычно не видны с полюсов. Когда топливо исчерпывается, солнечные и лунные возмущения увеличивают наклон спутника, в результате чего его наземная траектория начинает описывать аналемму (восьмерку в направлении север-юг). Обычно это завершает основную миссию спутника. Однако при достаточном наклоне спутник может начать подниматься над полярными горизонтами в крайних точках восьмерки, как это было с GOES 3. На станции была построена девятиметровая антенна, обеспечивающая связь со спутником около пяти часов в день. Скорость передачи данных составляла примерно 2,048 мегабайта в секунду (в обоих направлениях) в оптимальных условиях. GOES 8, который до выхода на орбиту имел обозначение GOES I, во время эксплуатации был спутником GOES East. В настоящее время он находится на орбите парковки и дрейфует в западном направлении со скоростью около 4° в сутки. Он был выведен из эксплуатации 1 апреля 2003 года и деактивирован 5 мая 2004 года после отказа двигательной установки. GOES 10, который до выхода на орбиту имел обозначение GOES K, был выведен из эксплуатации 2 декабря 2009 года и переведен на орбиту захоронения. У него больше не было топлива для выполнения необходимых маневров для удержания позиции. GOES 11, который до выхода на орбиту имел обозначение GOES L, частично вышел из строя 6 декабря 2011 года. Он был выведен из эксплуатации 16 декабря 2011 года и переведен на орбиту захоронения. GOES 12, который до выхода на орбиту имел обозначение GOES M, был выведен из эксплуатации 16 августа 2013 года и поднят на орбиту захоронения. GOES 13, который до выхода на орбиту имел обозначение GOES N, был выведен из эксплуатации 3 января 2018 года и переведен на орбиту хранения. Он был передан в Космические силы США и размещен на 61,5° в.д. под новым названием EWS G1. После трех лет мониторинга Индийского океана EWS G1 был выведен из эксплуатации 31 октября 2023 года, когда его сменил EWS G2 (ранее GOES 15). GOES 15, который до выхода на орбиту имел обозначение GOES P, был успешно запущен 4 марта 2010 года. С 2011 по 2018 год он занимал позицию GOES West на 135° з.д. над Тихим океаном. Он переместился на восток до 128° з.д. начиная с 29 октября 2018 года, чтобы освободить место для GOES 17, который занял позицию GOES West 10 декабря 2018 года. GOES 15 некоторое время работал в тандеме с GOES 17, но был выведен из эксплуатации в начале 2020 года и перемещен на орбиту парковки. GOES 15 был временно возвращен в эксплуатацию в августе 2020 года для восполнения пробела в возможностях датчиков GOES 17 из-за аппаратной проблемы. Как и GOES 13, GOES 15 был затем передан в Космические силы США и переименован в EWS G2 для мониторинга Индийского океана примерно до 2030 года.

Several GOES satellites are still in orbit but are either inactive or have been re purposed. Although GOES 3 ceased to be used for weather operations in 1989, it spent over 20 years as a critical part of communications between the U. S. and Amundsen–Scott South Pole Station before being decommissioned in 2016. Geostationary satellites expend fuel to keep themselves stationary over the equator, and thus cannot normally ordinarily be seen from the poles. When that fuel is depleted, solar and lunar perturbations increase the satellite's inclination so that its ground track begins to describe an analemma (a figure 8 in the north south direction). This usually ends the satellite's primary mission. However, when the inclination is high enough the satellite may begin to rise above the polar horizons at the extremes of the figure 8, as was the case for GOES 3. A nine meter dish was constructed at the station, and communication with the satellite could be obtained for about five hours per day. Data rates were around 2.048 megabytes/second (bi directional) under optimum conditions. GOES 8, which was designated GOES I before orbiting, was the GOES East satellite when it was in operation. It is in a parking orbit and is drifting westerly at a rate of about 4° daily. It was decommissioned on 1 April 2003 and deactivated on 5 May 2004 after the failure of its propulsion system. GOES 10, which was designated GOES K before orbiting, was decommissioned on 2 December 2009 and was boosted to a graveyard orbit. It no longer had the fuel for required maneuvers to keep it on station. GOES 11, which was designated GOES L before orbiting, had a partial failure on 6 December 2011. It was decommissioned on 16 December 2011 and boosted into a graveyard orbit. GOES 12, which was designated GOES M before orbiting, was decommissioned on 16 August 2013 and boosted into a graveyard orbit. GOES 13, which was designated GOES N before orbiting, was decommissioned on 3 January 2018 and boosted into storage orbit. It was transferred to the U. S. Space Force and positioned at 61.5ºE under the new name EWS G1. Following three years of monitoring the Indian Ocean, EWS G1 was retired on 31 October 2023 when EWS G2 (formerly GOES 15) took over. GOES 15, which was designated GOES P before orbiting, was launched successfully on 4 March 2010. From 2011 to 2018, it occupied the GOES West position at 135°W over the Pacific Ocean. It moved eastward to 128° W beginning on 29 October 2018 in order to make room for GOES 17, which took over the GOES West position on 10 December 2018. GOES 15 operated in tandem with GOES 17 for some time, but was retired in early 2020 and moved to a parking orbit. GOES 15 was temporarily returned to operational status in August 2020 to fill a gap in the sensor capabilities of GOES 17 due to a hardware issue. Like GOES 13, GOES 15 was then transferred to the U. S. Space Force and renamed EWS G2 to monitor the Indian Ocean until approximately 2030.

Цель

Разработанный для работы на геостационарной орбите над Землей, космический аппарат GOES непрерывно наблюдает за континентальной частью Соединенных Штатов, Тихим и Атлантическим океанами, Центральной Америкой, Южной Америкой и южной Канадой. Трехосевая, стабилизированная конструкция позволяет датчикам постоянно направляться на Землю, что обеспечивает более частую съемку облаков, мониторинг температуры поверхности Земли и полей водяного пара, а также зондирование атмосферы для определения ее вертикальной тепловой и влажностной структуры. Можно отслеживать развитие атмосферных явлений, обеспечивая оперативное покрытие метеорологических событий, таких как сильные локальные штормы и тропические циклоны. Важность этой возможности была продемонстрирована во время ураганов «Хуго» (1989) и «Эндрю» (1992). Космические аппараты GOES также повышают эффективность оперативных служб и улучшают поддержку исследований в области атмосферных наук, моделей численного прогнозирования погоды, а также разработку и проектирование экологических датчиков. Спутниковые данные передаются в L-диапазоне и принимаются на наземной станции управления и сбора данных NOAA на острове Уоллопс, штат Вирджиния, откуда они распространяются среди пользователей. Кроме того, любой желающий может принимать данные непосредственно со спутников, используя небольшую антенну и обрабатывая их с помощью специального программного обеспечения. Управлением спутниками GOES осуществляется из Центра управления спутниковыми операциями в Сютленде, штат Мэриленд. Во время значительных погодных явлений или других событий обычные графики работы могут быть изменены для обеспечения покрытия, запрошенного NWS и другими ведомствами. Спутники GOES 12 и более поздние модели также предоставили платформу для прибора Solar X-Ray Imager (SXI) и инструментов мониторинга космической среды (SEM). SXI обеспечивает высокочастотный мониторинг крупномасштабных солнечных структур для поддержки миссии Центра космических экологических служб (SESC). Однако модуль SXI на борту GOES 13 был поврежден солнечной вспышкой в 2006 году. SESC, являясь национальной службой «космической погоды», получает, отслеживает и интерпретирует широкий спектр данных о Солнце и околоземном пространстве. Он также выпускает отчеты, предупреждения и прогнозы для особых событий, таких как солнечные вспышки или геомагнитные бури. Эта информация важна для работы военных и гражданских систем радиосвязи, спутниковой связи и навигации. Она также важна для электрических сетей, миссий геофизических исследователей, астронавтов космической станции, пилотов высотных самолетов и научных исследователей. SEM измеряет влияние Солнца на околоземную солнечно-земную электромагнитную среду, предоставляя данные в реальном времени в SESC.

Designed to operate in geostationary orbit above the Earth, the GOES spacecraft continuously view the continental United States, the Pacific and Atlantic Oceans, Central America, South America, and southern Canada. The three axis, body stabilized design enables the sensors to "stare" at the Earth and thus more frequently image clouds, monitor the Earth's surface temperature and water vapour fields, and sound the atmosphere for its vertical thermal and vapor structures. The evolution of atmospheric phenomena can be followed, ensuring real time coverage of meteorological events such as severe local storms and tropical cyclones. The importance of this capability was proven during hurricanes Hugo (1989) and Andrew (1992). The GOES spacecraft also enhance operational services and improve support for atmospheric science research, numerical weather prediction models, and environmental sensor design and development. Satellite data is broadcast on the L band, and received at the NOAA Command and Data Acquisition ground station at Wallops Island, Virginia from which it is disseminated to users. Additionally, anyone may receive data directly from the satellites by utilizing a small dish, and processing the data with special software. The GOES satellites are controlled from the Satellite Operations Control Center in Suitland, Maryland. During significant weather or other events, the normal schedules can be altered to provide the coverage requested by the NWS and other agencies. GOES 12 and above also have provided a platform for the Solar X Ray Imager (SXI) and space environment monitoring (SEM) instruments. The SXI provides high cadence monitoring of large scale solar structures to support the Space Environment Services Center's (SESC) mission. The SXI unit on GOES 13, however, was damaged by a solar flare in 2006. The SESC, as the nation's "space weather" service, receives, monitors, and interprets a wide variety of solar terrestrial data. It also issues reports, alerts, and forecasts for special events such as solar flares or geomagnetic storms. This information is important to the operation of military and civilian radio wave and satellite communication and navigation systems. The information also is important to electric power networks, the missions of geophysical explorers, Space Station astronauts, high altitude aviators, and scientific researchers. The SEM measures the effect of the Sun on the near Earth solar terrestrial electromagnetic environment, providing real time data to the SESC.

Полезная нагрузка

Основная миссия спутника GOES выполняется основными приборными комплексами полезной нагрузки – изобразителем и зондирующим комплексом. Изобразитель – это многоканальный прибор, регистрирующий инфракрасное излучение и отражённую видимую солнечную энергию от поверхности Земли и атмосферы. Зондирующий комплекс предоставляет данные для определения вертикальных профилей температуры и влажности атмосферы, температуры поверхности и верхней границы облаков, а также распределения озона. GOES также предоставляет систему сбора данных – наземную метеорологическую платформу для сбора и ретрансляции спутниковых данных. Другие приборы на борту космического аппарата – комплекс SEM, включающий магнитометр, рентгеновский датчик, детектор высокоэнергетических протонов и альфа-частиц и датчик энергетических частиц. Космические аппараты серии GOES N (GOES 13 – GOES 15) также оснащены датчиком экстремального ультрафиолетового излучения, направленным на Солнце. Кроме того, спутники GOES несут ретранслятор поисково-спасательной службы, собирающий данные от радиомаяков, указывающих аварийное местоположение, и маяков аварийного локализатора, используемых Центром координации спасательных операций ВВС США.

Обозначение спутников

Перед запуском спутники GOES обозначаются буквами (A, B, C и т. д.). После успешного запуска спутника GOES ему присваивается номер (1, 2, 3 и т. д.). Таким образом, GOES A – GOES F стали GOES 1 – GOES 6. Поскольку запуск GOES G был неудачным, он так и не получил номер. GOES H – GOES R стали GOES 7 – GOES 16 (при этом GOES Q, который не был построен, был пропущен). После ввода в эксплуатацию различные позиции, занимаемые спутниками, получают названия, соответствующие регионам, которые они охватывают. Это GOES East и GOES West, наблюдающие за восточной и западной половинами США соответственно. GOES East занимает GOES 16, а GOES West – GOES 17. Обозначение «Восток/Запад» используется чаще, чем номер спутника. GOES IO (Индийский океан), новое обозначение, представленное в начале мая 2020 года, в настоящее время занимает GOES 13 (DOD 1). Существовала также позиция GOES South, предназначенная для обеспечения специализированного покрытия Южной Америки. До ввода в эксплуатацию серии GOES R, если спутник не был специально предназначен для этого континента, изображения Южной Америки обновлялись каждые 3 часа вместо каждых 30 минут. На позицию GOES South обычно назначались более старые спутники, чьи операции над Северной Америкой были переданы новым спутникам. Например, GOES 10 был перемещен с позиции GOES West на GOES South после того, как на станции West его заменил GOES 11. Когда GOES 10 был выведен из эксплуатации 1 декабря 2009 года, GOES South занял GOES 12. С момента вывода GOES 12 из эксплуатации 16 августа 2013 года позиция GOES South остается вакантной. GOES 16 сделал ненужным выделенный спутник GOES South; по состоянию на 2019 год спутник создает изображения всего диска каждые 10 минут.

Разработка серии GOES-R

В сентябре 2006 года NOAA сократила запланированное количество спутников GOES R с четырех до двух из-за опасений по поводу превышения стоимости. Планируемый график поставок также был замедлен для снижения затрат. Ожидаемая стоимость серии составляет 7,69 миллиарда долларов, что на 670 миллионов долларов превышает предыдущую оценку в 7 миллиардов долларов. Контракт на строительство спутников и изготовление магнитометра, SUVI и GLM был заключен с компанией Lockheed Martin. Награда по контракту была оспорена компанией Boeing, проигравшей в тендере, однако протест впоследствии был отклонен. Инструмент ABI был поставлен компанией L3Harris (ранее ITT Exelis). SEISS был поставлен корпорацией Assurance Technology Corporation. Инструменты XRS и EUVS объединяются в датчики экстремального ультрафиолетового и рентгеновского излучения (EXIS), которые были поставлены Лабораторией атмосферной и космической физики Университета Колорадо. Контракт на наземную систему, включая обработку данных, был заключен с командой под руководством подразделения метеорологических систем L3Harris, с привлечением субподрядчиков Boeing, Atmospheric and Environmental Research (AER), Honeywell, Carr Astronautics, Wyle Laboratories и Ares.