Основные пути развития спутниковой группировки в Арктическом регионе

Первый космический аппарат новой спутниковой системы «Арктика-М», запущенный в конце февраля 2021 года и уже присылающий с высокоэллиптической орбиты уникальные снимки северных широт, также позволит прогнозировать космическую погоду — в холдинге «Российские космические системы» (входит в Госкорпорацию «Роскосмос») разработан и изготовлен уникальный гелиогеофизический аппаратурный комплекс ГГАК-ВЭ, который измеряет значения магнитного поля Земли, космические потоки электронов и протонов.

Приборы комплекса, установленные на «Арктика-М», будут проводить мониторинг характеристик околоземной среды при солнечных вспышках и геомагнитных бурях, которые влияют на распространение радиоволн, работу промышленных и энергетических систем, коммуникационного оборудования и транспортных трубопроводов.

Тактико-техническое задание на комплекс ГГАК-ВЭ «Арктика-М» разрабатывалось с участием Росгидромета. ГГАК-ВЭ должен предоставить экономике России опережающие данные об активности Солнца, магнитных бурях и радиационной обстановке в околоземном пространстве. Космическая погода влияет на условия радиосвязи, установку ограничений по перелетам для пилотов самолетов, а ее своевременное прогнозирование позволит подготовиться к происшествиям на электросетях и исключить события, когда происходят масштабные отключения электроэнергии из-за сильных магнитных бурь.

Главный конструктор гелиогеофизического аппаратурного комплекса РКС Алексей Ковалев: «ГГАК-ВЭ должен измерять значения магнитного поля Земли на орбите, космические потоки электронов и протонов — часть измерений будет проводиться впервые. Комплекс создавался в кооперации с ведущими институтами отрасли: Институтом прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова, Институтом космических исследований Российской академии наук и Научно-исследовательским институтом ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова. В комплексе установлены унифицированные приборы, также работающие в непрерывном режиме на геостационарном космическом аппарате «Электро-Л».

Гелиогеофизический аппаратурный комплекс ГГАК-ВЭ предназначен для непрерывного получения гелиогеофизических данных на высоте орбиты для контроля и прогноза радиационной обстановки в околоземном космическом пространстве и состояния геомагнитного поля, диагностики и контроля состояния естественных и модифицированных магнитосферы, ионосферы и верхней атмосферы Земли. Часть приборов ГГАК-ВЭ была изготовлена в Институте прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова, их калибровку обеспечивала его метрологическая служба на созданной ранее распределенной эталонной базе. Там также был развернут, прошел межведомственные комплексные испытания и участвует в летных испытаниях автономный пункт приема гелиогеофизической информации, которая после включения ГГАК-ВЭ в режиме реального времени поступает в Гелиогеофизическую службу Института.

Специальное конструкторское бюро Института космических исследований Российской академии наук обеспечило разработку и изготовление интерфейсного электронного блока БНД-ВЭ — блока накопления данных ГГАК-ВЭ, который осуществляет сбор информации от приборов, отвечает за ее упаковку, хранение и сброс на бортовые системы «Арктика-М».

НИИЯФ имени Д. В. Скобельцына МГУ им. М. В. Ломоносова с 1945 года является ключевым центром ядерно-физических исследований. Для фундаментального и прикладного изучения природы и характера космических излучений приборы НИИЯФ МГУ устанавливаются на различные спутники — первые датчики еще сопровождали полет собак в космос. На аппараты российской метеогруппировки устанавливаются приборы, обеспечивающие регистрацию протонов, электронов в широком энергетическом диапазоне от единиц до сотен МэВ (мегаэлектронвольт), то есть от регулярных космических воздействий до тяжелых заряженных частиц.

Научно-производственное предприятие «Астрон Электроника» для ГГАК-ВЭ разработало магнитометрическую аппаратуру ФМ-ВЭ, которая состоит из блоков датчиков, расположенных на выносной штанге космического аппарата, и блока электроники. Первичная оценка принятых целевых и телеметрических данных показала работоспособность этой аппаратуры ГГАК-ВЭ; на следующих этапах летных испытаний «Арктики-М» будет проводиться всесторонняя оценка данных.

Аппаратура «Арктика-М» стала дальнейшей эволюцией бортовых систем и целевых приборов метеорологических геостационарных космических аппаратов серии «Электро-Л» и отличается более широким использованием современных отечественных компонентов. Кроме ГГАК-ВЭ, в РКС для нового космического аппарата разработано основное целевое устройство — многозональное сканирующее устройство, а также бортовая система сбора данных, аппаратура командно-измерительных систем и бортовой радиотехнический комплекс.

Космический аппарат «Арктика-М» изготовлен в Научно-производственном объединении Лавочкина (входит в состав Госкорпорации «Роскосмос») и запущен с космодрома Байконур 28 февраля 2021 года. Он предназначен для мониторинга гидрометеорологической и гелиогеофизической обстановки высоких широт, а также для работы международной спутниковой поисково-спасательной системы КОСПАС-САРСАТ. Создание российских спутниковых систем на высокоэллиптических орбитах необходимо для информационного обеспечения оперативной метеорологии, гелиогеофизики, гидрологии, агрометеорологии, мониторинга климата и окружающей среды в арктическом регионе Земли.

Космическая система «Арктика-М» будет непрерывно предоставлять оперативную информацию о состоянии атмосферы и поверхности Арктического региона Земли Гидрометцентру России. Это позволит повысить точность моделей при составлении краткосрочных прогнозов погоды, поможет отслеживать чрезвычайные ситуации и проводить экологический контроль окружающей среды. Массивы новых данных планируется использовать и в научных целях для фундаментальных гидрометеорологических исследований, в том числе для изучения феномена глобального потепления.

Чтобы спутник мог круглосуточно вести всепогодный обзор поверхности Земли и морей Северного Ледовитого океана, на платформу установили комплекс целевой аппаратуры. Она же позволит поддерживать постоянную и надежную связь. Речь идет о двух многозональных сканирующих устройствах (МСУ-ГС) — они будут делать многоспектральные изображения облачности и поверхности Земли сразу в двух диапазонах: в видимом и инфракрасном. На спутнике также установлен гелиогеофизический аппаратурный комплекс (ГГАК-ВЭ), который позволит контролировать радиационную обстановку в околоземном космическом пространстве и делать прогнозы вспышечной активности Солнца.

Помимо этого, «Арктика-М» оборудована аппаратурой для ретрансляции метеоинформации и сигналов от аварийных радиобуев, которые передает международная космическая поисково-спасательная система КОСПАС-САРСАТ.

Ряд специальных спутников выведут на орбиту Земли, чтобы улучшить навигацию по Северному морскому пути. Планируется, что к 2025 году заработает гидрометеорологическая космическая система «Арктика-М» — она позволит оперативно получать «спутниковые гидрометеорологические данные высокого временного разрешения по полярной области Земли».     Изначально она будет состоять из двух спутников «Арктика-М». Если все пойдет по плану, то второй аппарат выведут на орбиту в 2023 году — тогда спутники будут попеременно сменять друг друга на рабочем участке орбиты. С их помощью специалисты смогут получать обзорное изображение Арктического региона Земли. Оно недоступно для непрерывного наблюдения с геостационарной орбиты. Картинка будет обновляться не реже чем раз в 15–30 минут.

В дальнейшем предполагается создание группировки из двух космических аппаратов (КА) «Арктика-М» на высокоэллиптических орбитах с апогеем над Северным полюсом в 40 000 км и периодом обращения каждого в 12 часов. Запуск 28 февраля является только первым шагом в развертывании новой космической системы.

Группировка предназначена для гидрометеорологического наблюдения Арктического региона. Спутники «Арктика-М», находясь на орбитах типа «Молния» с высоким апогеем (40 000 км) и поочередно сменяя друг друга, будут с периодичностью 30 минут получать важнейшие данные о метеорологических параметрах (трехмерные поля ветра, температуры, влагосодержания атмосферы, ледовая обстановка на северных морях, общее содержание в атмосфере водяного пара и озона и т.д.), а также информацию о состоянии ионосферы на всем огромном пространстве Арктики выше 60° с.ш. Тем самым будет закрыта «брешь» в глобальном покрытии Земли метеорологическими съемками, поскольку Арктический регион недоступен для наблюдений спутниками на геостационарных орбитах, а низкоорбитальные спутники не обеспечивают наблюдение с требуемой периодичностью. Устранение этой «бреши» позволит значительно повысить качество гидрометеорологического мониторинга и точность прогнозов погоды не только на высокоширотных территориях, но и, что принципиально важно, во всем Северном полушарии Земли. В связи с этим вопрос создания группировки спутников «Арктика-М» признан наивысшим приоритетом в деятельности Всемирной метеорологической организации до 2025 года. Запуск второго аппарата запланирован на IV квартал 2023 года.

В целом группировка будет решать следующие задачи гидрометеорологии, экологии, информационного обеспечения хозяйственной деятельности и мониторинга окружающей среды на всей территории Арктики, включая акватории Северного Ледовитого океана и прибрежные регионы:

• квазинепрерывный мониторинг крупномасштабных процессов и погодных явлений на поверхности Земли, в атмосфере и в околоземном космическом пространстве в недоступных для наблюдения с геостационарных гидрометеорологических КА регионах, с получением многоспектральных и гелиогеофизических данных высокой периодичности, недостижимой для низкоорбитальных гидрометеорологических КА;
• получение информации для анализа и прогноза погоды в региональном и глобальном масштабе: данные об облачности, температуре и влагосодержании атмосферы и подстилающей поверхности, трехмерные поля скорости ветра, малые газовые составляющие и другие параметры, используемые для оценки и прогнозирования погоды и изучения эволюции климата;
• мониторинг крупных природных и техногенных катастроф, включая обнаружение и мониторинг загрязнений окружающей природной среды, в том числе крупных разливов нефтепродуктов;
• гидрометеорологическое обеспечение судоходства по трассе Северного морского пути и кросс-полярных авиационных маршрутов;
• получение широкого состава гелиогеофизических данных над высокоширотными областями, имеющими важнейшее значение для геофизики;
• сбор и ретрансляция данных наблюдательной сети Росгидромета с возможностью обеспечения двухсторонней радиосвязи.

Прием, обработка, архивация и распространение спутниковых данных с КА «Арктика» будут осуществляться на базе действующей Государственной территориально-распределенной системы космического мониторинга Росгидромета в составе Европейского, Сибирского и Дальневосточного центров ФГБУ «НИЦ «Планета», а также ФГБУ «ИПГ» в части приёма и обработки гелиогеофизической информации.

А.В. Митько, вице-президент Арктической общественной академии наук, член Совета по Арктике и Антарктике СФ ФС РФ, главный специалист ВНИИМ имени Д.И. Менделеева, к. т. н.