Введение
Спутник наблюдения за Землей NASA QuikSCAT (Quick Scatterometer) был спутником наблюдения за Землей, оснащенным рассеянометром SeaWinds. Его основной задачей было измерение скорости и направления ветра на поверхности океана, свободной от льда, посредством его влияния на волны. Данные, полученные с QuikSCAT, имели широкий спектр применения и способствовали климатологическим исследованиям, прогнозированию погоды, метеорологии, океанографическим исследованиям, обеспечению безопасности на море, коммерческому рыболовству, отслеживанию крупных айсбергов, а также изучению наземных и морских льдов и многому другому. Этот рассеянометр SeaWinds называют рассеянометром QuikSCAT, чтобы отличать его от практически идентичного рассеянометра SeaWinds, установленного на спутнике ADEOS 2.
The NASA QuikSCAT (Quick Scatterometer) was an Earth observation satellite carrying the SeaWinds scatterometer. Its primary mission was to measure the surface wind speed and direction over the ice free global oceans via its effect on water waves. Observations from QuikSCAT had a wide array of applications, and contributed to climatological studies, weather forecasting, meteorology, oceanographic research, marine safety, commercial fishing, tracking large icebergs, and studies of land and sea ice, among others. This SeaWinds scatterometer is referred to as the QuikSCAT scatterometer to distinguish it from the nearly identical SeaWinds scatterometer flown on the ADEOS 2 satellite.
Описание миссии
QuikSCAT был запущен 19 июня 1999 года с первоначальным сроком выполнения миссии в 3 года. QuikSCAT был миссией "быстрого восстановления", заменив спутник NASA Scatterometer (NSCAT), который вышел из строя досрочно в июне 1997 года после всего 9,5 месяцев работы. Однако QuikSCAT значительно превзошел эти проектные характеристики и продолжал функционировать более десяти лет, пока отказ подшипника в двигателе антенны не лишил QuikSCAT возможности получать полезную информацию о поверхностном ветре 23 ноября 2009 года. Архив геофизических данных QuikSCAT охватывает период с 19 июля 1999 года по 21 ноября 2009 года. Хотя после этой даты антенна не могла вращаться, ее радиолокационные возможности остались полностью сохранными. Спутник продолжал работать в этом режиме до полного завершения миссии 2 октября 2018 года. Данные, полученные в этом режиме, использовались для повышения точности других спутниковых данных о поверхностном ветре путем межкалибровок с другими рассеивателями Ku-диапазона. QuikSCAT измерял ветры на полосах шириной 1800 км, центрированных вдоль траектории спутника, без провалов в зоне надира, в отличие от рассеивателей с веерным лучом, таких как NSCAT. Благодаря большой ширине полосы и отсутствию пробелов, QuikSCAT ежедневно собирал как минимум одно векторное измерение ветра на 93% площади Мирового океана. Это значительно улучшило показатель в 77%, обеспечиваемый NSCAT. Каждый день QuikSCAT регистрировал более 400 000 измерений скорости и направления ветра, что в сотни раз превышает количество измерений поверхностного ветра, регулярно собираемых с кораблей и буев. QuikSCAT предоставлял измерения скорости и направления ветра, отнесенные к высоте 10 метров над поверхностью моря, с пространственным разрешением 25 км. Получение информации о ветре невозможно в пределах 15–30 км от береговой линии или при наличии морского льда. Осадки обычно снижают точность измерения ветра, хотя полезную информацию о ветре и дожде все еще можно получать в циклонах средних широт и тропических циклонах для целей мониторинга. Помимо измерения поверхностных ветров над океаном, рассеиватели, такие как QuikSCAT, также могут предоставлять информацию о долевом покрытии морского льда, отслеживать крупные айсберги (более 5 км в длину), различать типы льда и снега и определять линию замерзания-оттаивания в полярных регионах. Хотя вращающаяся тарельчатая антенна больше не может вращаться в соответствии с проектом, остальная часть прибора остается функциональной, а возможности передачи данных сохранены, хотя он больше не может определять векторный ветер на поверхности. Однако он все еще может измерять обратное рассеяние радиолокационного сигнала под фиксированным углом азимута. QuikSCAT используется в этом ограниченном режиме для перекрестной калибровки других рассеивателей в надежде на получение долгосрочных и согласованных наборов данных о поверхностном ветре с нескольких платформ рассеивателей на орбите, включая усовершенствованный рассеиватель (ASCAT) Европейской организации по эксплуатации метеорологических спутников (EUMETSAT) на MetOp A и MetOp B, рассеиватель Oceansat 2, управляемый Индийской организацией космических исследований (ISRO), и рассеиватель HaiYang 2A (HY 2A), управляемый Национальной службой спутниковых океанических приложений Китая, а также разрабатываемые NASA будущие миссии рассеивателей. В 2011 году экспертная комиссия NASA одобрила продолжение миссии QuikSCAT с этими измененными целями до 2018 года. QuikSCAT был окончательно выведен из эксплуатации 2 октября 2018 года.
Описание инструмента
SeaWinds использовал вращающуюся параболическую антенну с двумя узконаправленными лучами, сканирующими поверхность по круговой траектории. Антенна состоит из вращающейся тарелки диаметром 1 метр, формирующей два узконаправленных луча, сканирующих поверхность по круговой траектории. Она излучает микроволновые импульсы мощностью 110 Вт с частотой повторения импульсов (ЧПИ) 189 Гц. QuikSCAT работает на частоте 13,4 ГГц, которая относится к Ku-диапазону микроволнового спектра. На этой частоте атмосфера в основном прозрачна для облаков и аэрозолей, не вызывающих осадков, хотя дождь существенно искажает сигнал. Космический аппарат находится на солнечно-синхронной орбите, с временем пересечения экватора для восходящих полос около 06:00 местного звездного времени (LST) ±30 минут. Вдоль экватора соседние полосы разделены на 2800 км. QuikSCAT обращается вокруг Земли на высоте 802 км со скоростью около 7 км/с.
Принципы измерения
Скатерометры, такие как QuikSCAT, излучают импульсы низкомощного микроволнового излучения и измеряют мощность, отраженную обратно в приемную антенну от морской поверхности, взъерошенной ветром. Гравитационные и капиллярные волны на морской поверхности, вызванные ветром, отражают или обратно рассеивают энергию, испускаемую радаром-скаттерометром, главным образом посредством условия резонанса Брэгга. Длины волн этих волн приблизительно равны 1 см и обычно находятся в равновесии с местным ветром на поверхности. Над водной поверхностью обратное рассеяние микроволн сильно коррелирует со скоростью и направлением поверхностного ветра. Конкретная длина волны поверхностных волн определяется длиной волны микроволнового излучения, испускаемого радаром рассеяния. QuikSCAT состоит из активного микроволнового радара, который определяет поверхностные ветры по шероховатости морской поверхности на основе измерений радиолокационного сечения обратного рассеяния, обозначаемого как σ0. Значение σ0 изменяется в зависимости от скорости и направления поверхностного ветра относительно азимута антенны, угла падения, поляризации и частоты радара. QuikSCAT использует антенну с двумя лучами, конически сканирующую, которая измеряет весь диапазон азимутных углов во время каждого оборота антенны. Измерения обратного рассеяния получаются при фиксированных углах падения 46° и 54°, обеспечивая до четырех обзоров каждой области поверхности при разных углах падения. Стандартная обработка измерений QuikSCAT обеспечивает пространственное разрешение около 25 км. Более высокое пространственное разрешение в 12,5 км также достигается с помощью специальной обработки, но характеризуется значительно большим уровнем шума. Также возможно получение еще более высокого пространственного разрешения в 5 км, но только для ограниченных регионов и в особых случаях. Данные наблюдений σ0 калибруются по скорости и направлению ветра на опорной высоте 10 метров над поверхностью моря.
Строительство и запуск
В 1996 году на борту японского спутника наблюдения за Землей (ADEOS 1) был запущен скатерометр НАСА (NSCAT). Этот спутник был разработан для регистрации поверхностных ветров над Мировым океаном в течение нескольких лет. Однако неожиданный отказ в 1997 году привел к преждевременному завершению проекта NSCAT. После этой непродолжительной успешной миссии НАСА приступило к строительству нового спутника для замены вышедшего из строя. Планировалось построить его и подготовить к запуску как можно скорее, чтобы минимизировать перерыв в данных между двумя спутниками. Всего за 12 месяцев спутник Quick Scatterometer (QuikSCAT) был построен и готов к запуску, что было быстрее, чем любая другая миссия НАСА с 1950-х годов. Изначальный бюджет проекта QuikSCAT составлял 93 миллиона долларов, включая сам спутник, ракету-носитель и текущую поддержку его научной миссии. Серия неудачных запусков ракет в ноябре 1998 года привела к приостановке эксплуатации парка ракет-носителей Titan (семейство ракет), задержала запуск QuikSCAT и увеличила первоначальную стоимость на 5 миллионов долларов. Новый спутник должен был быть запущен с помощью ракеты Titan II с авиабазы Ванденберг в Калифорнии. Ракета стартовала в 19:15 по тихоокеанскому времени (PDT) 19 июня 1999 года. Примерно через две минуты и тридцать секунд после старта первый двигатель был выключен, а второй включился, когда ракета пролетала над полуостровом Нижней Калифорнии. Через минуту головной обтекатель, расположенный в верхней части ракеты, разделился на две части. Спустя шестнадцать секунд ракета была переориентирована для защиты спутника от солнечного света. В течение следующих 48 минут оба аппарата пролетели над Антарктидой, а затем над Мадагаскаром, где ракета достигла целевой высоты в 805 километров. Через 59 минут после старта спутник отделился от ракеты и был выведен на круговую орбиту вокруг Земли. Вскоре после этого были развернуты солнечные панели и в 20:32 по тихоокеанскому времени (PDT) установлена связь со спутником через станцию слежения в Норвегии. В течение следующих двух недель спутник использовал импульсы двигателей для точной настройки своего местоположения и корректировки курса до желаемой траектории. 7 июля, через восемнадцать дней после старта, был включен скатерметр, и команда из 12 человек провела детальную проверку функционирования QuikSCAT. Через месяц после выхода на орбиту команда завершила проверки, и QuikSCAT начал сбор и передачу данных обратного рассеяния. Национальные центры прогнозирования окружающей среды США (NCEP) и Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF) первыми начали ассимилировать данные о ветрах QuikSCAT, начиная, соответственно, 13 января 2002 года и 22 января 2002 года. Данные о поверхностных ветрах QuikSCAT стали важным инструментом для анализа и прогнозирования в Национальном центре ураганов США с момента их доступности в почти реальном времени в 2000 году. Ветровые поля QuikSCAT также использовались в качестве инструмента для анализа и прогнозирования внетропических циклонов и морской погоды за пределами тропиков в Центре прогнозирования океана США и Национальной метеорологической службе США. Данные также предоставлялись в режиме реального времени для большей части Мирового океана, свободной от льда, включая традиционно малоизученные районы океана, где существует мало наблюдений, такие как Южный океан и восточная тропическая часть Тихого океана. Наблюдения QuikSCAT предоставляются этим оперативным пользователям в почти реальном времени (NRT) в двоичном универсальном формате представления метеорологических данных (BUFR) Национальным управлением океанических и атмосферных исследований / Национальной службой спутниковых данных и информации об окружающей среде (NOAA/NESDIS). Цель задержки данных составляет 3 часа, и почти все данные доступны в течение 3,5 часов после измерения. Для соответствия этим требованиям алгоритмы обработки данных QuikSCAT NRT объединяют наиболее детальные измерения обратного рассеяния в меньшее количество композитов, чем алгоритмы научных данных. В остальном алгоритмы обработки данных QuikSCAT NRT идентичны алгоритмам научных данных.
Тропические циклоны
Применение QuikSCAT в оперативном анализе и прогнозировании тропических циклонов в Национальном центре ураганов включает в себя определение местоположения и центра тропических циклонов, оценку их интенсивности и анализ радиусов ветра. В 2007 году Билл Проенза, в то время возглавлявший Национальный центр ураганов, заявил в публичном обращении, что потеря спутника QuikSCAT негативно скажется на качестве прогнозов ураганов. Он утверждал, что точность трехдневных прогнозов снизится примерно на 16% после вывода QuikSCAT из эксплуатации. Несмотря на то, что спутник помогает в прогнозировании положения и интенсивности ураганов, он не является единственным источником такой информации.
2009 год сбои подшипников
[[Файл:Последнее изображение QuikSCAT.gif|thumb|left|Последнее изображение, полученное на основе данных QuikSCAT (наложенное на два изображения GOES), сделанное незадолго до остановки вращения антенны. Обратите внимание на небольшую область, где представлены данные о ветре, по сравнению с общей площадью изображения. После отказа было объявлено, что спутник, вероятно, завершил свою миссию и больше не будет использоваться. Отказ датчика на спутнике был подтвержден примерно в 07:00 UTC. Отказ коснулся только оборудования для сканирования в реальном времени; долгосрочный сбор данных остался неповрежденным и продолжал функционировать. По данным NASA, причиной отказа стал возраст спутника. Механизм, вышедший из строя, был рассчитан на пять лет работы, однако он проработал около десяти лет, вдвое превысив ожидаемый срок службы. 24 ноября руководители NASA приступили к оценке степени повреждения спутника и возможности перезапуска вращающейся антенны. Также были рассмотрены планы действий на случай отказа QuikSCAT.