Орбитальный мониторинг цунами. Часть 2 | Блог о природе

Орбитальный мониторинг цунами. Часть 2

1

Обнаружение цунами

Метод раннего обнаружения цунами

Перейдем к обсуждению предлагаемого метода обнаружения цунами. Идейно он очень прост: с помощью специального радиолокационного оборудования, расположенного на нескольких ИСЗ, образующих опорную сеть, сканируем высоту поверхности океана дискретными радиоимпульсами (точка за точкой подобно телевизионному растру). Эта сеть покрывает всю, без исключений, цунами–опасную зону мирового океана от северного полярного круга до южного. Координаты каждого спутника в каждый момент времени известны с большой точностью, достаточной для решения задачи (скажем, с точностью до 1 см). Высота поверхности океана сканируется в точках с шагом дискретности 5?10 км, так чтобы искомая волна не проскользнула между измерениями. При обнаружении в океане волн цунами опасного размера выдаем предупреждение в соответствующие службы. Продолжаем сканировать поверхность океана, обнаруживая и другие волны опасного размера, и продолжая наблюдать за уже обнаруженной волной.

Спутники должны иметь достаточно высокие орбиты (но не геостационарные), чтобы можно было обойтись приемлемым количеством спутников для охвата практически всей поверхности Земли (всех цунами опасных акваторий). Но и не слишком высокие, чтобы иметь достаточную разрешающую способность.

Для сканирования поверхности океана не удастся воспользоваться локационными системами, работающими в оптическом диапазоне, хотя они легко обеспечили бы необходимую точность измерений при небольших размерах системы. Ведь оптическое излучение не проходит через облака. Поэтому придется пользоваться радиоимпульсами, для которых облака прозрачны. Хотя это и приведет к почти неприемлемому увеличению размеров передающей антенны (для обеспечения необходимой точности позиционирования опрашивающего импульса и направления приема).

Профиль поверхности океана может индицироваться на экране монитора оператора с необходимым разрешением по горизонтальным направлениям и по высоте волны (меняемым по воле оператора). Оператор сможет также видеть на экране любые вычислимые характеристики: скорость волны, ее высоту, вычисляемый прогноз изменения скорости и высоты волны на основе учета глубины океана и формы фронта волны и т.д.

Может оказаться так, что даже от большого землетрясения к побережью через несколько десятков минут (или через несколько часов) докатится лишь очень маленькая волна. Поскольку мы наблюдаем обнаруженную волну на всем пути ее следования, непрерывно измеряя ее параметры, то при надежном прогнозировании уменьшения волны до безопасного размера (по ходу ее движения) можно отменить предварительно объявленную готовность к тревоге. Таким образом, ложные тревоги по поводу цунами будут практически исключены. И потери от предварительной тревоги будут сведены к минимуму.

С другой стороны, благодаря своей глобальности и надежности (над каждой точкой наблюдаемой акватории последовательно проходят целая череда ИСЗ, а не один спутник) вся акватория океана, а не только предварительно выделенные области с датчиками, будет находиться под непрерывным наблюдением. Надежность обеспечивается и некоторой избыточностью. Так что пропуски опасных цунами будут также исключены (даже при выходе из строя нескольких ИСЗ). Об оперативности системы: возникновение цунами будет обнаружено в первые же секунды ее существования, поскольку поверхность океана сканируется со скоростью порядка одного кадра в секунду.

Таким образом, мы предлагаем измерять не косвенные параметры, будь это даже параметры первопричинных явлений (землетрясений), генерирующих цунами, а непосредственно параметры самой волны цунами, начиная от самого ее возникновения и до прихода к берегу. Так будет намного точнее и надежнее на практике, и проще с идейной стороны, хотя технически – несколько сложнее.

Рассмотрим, как именно должна работать предлагаемая система обнаружения = Система Орбитального Мониторинга Цунами (СОМЦ), чтобы отвечать своему предназначению.

  • Вполне понятно, как измерить высоту поверхности моря непосредственно под спутником. Нужно отправить в сторону океана радиоимпульс (без особых требований к точности направления) и через некоторое время принять отраженный от поверхности сигнал. Время засекается по переднему фронту отраженного сигнала (т.е., по самому первому отклику от ближайшей к спутнику точки поверхности). Высоту (удаление поверхности от спутника) получаем простым умножением половины временного промежутка (от излучения до приема) на скорость света. Текущая высота спутника на момент измерения известна. Примем пока ее равной 10 000 км
  • Легко понять, как измерять высоту не под спутником. Для начала считаем, что опрашивающий луч бесконечно тонкий. Направляя луч под нужным углом к вертикали (к спутнику) на сканируемую точку поверхности океана и фиксируя время возврата отраженного сигнала после несложных вычислений с учетом угла отклонения от вертикали и сферичности поверхности океана, также получим высоту поверхности в опрашиваемой точке. Но дело в том, что на практике мы не можем бесконечно точно задать направление опрашивающего импульса – всегда будет присутствовать довольно большая ошибка задания направления. А ошибка в задании направления приведет к ошибке определения высоты.
  • Но, имея на орбите несколько спутников (пусть четыре – S0, S1, S2, S4.) с хорошо известными координатами, можно, согласовав действия спутников (по координатам опрашиваемых точек, по моменту излучения и приема опрашивающего сигнала) и наладив обмен информацией между ними, определить точные координаты ничем не выделенной точки поверхности океана. За исключением того, что именно эта точка опрашивалась и отражала опрашивающий сигнал в заданный момент времени. Координаты этой точки могут быть вычислены. Действительно, зафиксировав времена прихода на остронаправленные приемные антенны спутников отраженного океаном сигнала, мы получим длины ломаных отрезков – лучей («от излучателя S0 до отражающей точки поверхности океана» + «от точки отражения до приемника Si»). Используя три пары спутников (S0–S1, S0–S2, S0–S3), можно построить три эллипсоида с фокусами на спутниках и с образующими, равными оптическому пути от S0 до поверхности и от поверхности до Si. Эти три эллипсоида пересекаются попарно по кривым второго порядка – по эллипсам. А точка отражения принадлежит сразу всем трем эллипсоидам. Значит, эта точка будет находиться на пересечении всех трех эллипсоидов. Всем трем эллипсоидам будет принадлежать и еще одна точка, сопряженная точке отражения (она, можно сказать, противоположна точке отражения). Решая геометрическую задачу, несколько более сложную, чем в пункте Б), мы определим все три координаты точки отражения (опираясь на известные координаты спутников – фокусов эллипсоидов). Избыточная информация (время возврата отраженного сигнала в точку S0 и измеренные (вернее, заданные для приема остронаправленной антенной) направления со спутников на сканируемую точку) может быть использована для контроля правильности вычисления и уточнения координат точки отражения.
  • На самом же деле, опрашивающий луч не может быть бесконечно тонким. Технически и экономически приемлемым является опрашивающий луч, имеющий диаметр (в месте падения на сканируемую поверхность) в сотни метров. Как можно преодолеть этот практически неустранимый недостаток сканирующего луча? Рассмотрим сначала случай, когда сканируемая поверхность океана совершенно гладкая. Чтобы не усложнять картину, будем считать опрашивающий импульс очень коротким. При такой идеализации на плоскую сканируемую поверхность под углом к ней падает плоский круг опрашивающего импульса (диаметром в 500 м). От эллиптического пятна на поверхности в слегка различающиеся моменты времени отражается сигнал. Так что на принимающую антенну поступает уже не очень узкий пик, а импульс конечной длительности, распределенный во времени в соответствии с углом падения и с углом отражения, а также с зависимостью интенсивности от этих углов (все-таки отражение не от зеркала, поэтому отражение идет во все стороны, но с разной интенсивностью). В этом случае мы должны фиксировать момент прихода сигнала на принимающую антенну уже не по переднему фронту импульса, а по его центру. Так что принятый сигнал должен быть предварительно обработан. А дальше задача решается как в предыдущем пункте.
  • На самом же деле сканируемая поверхность океана далеко не идеальна – по ней не только пробегает рябь высотой в 5 см, но постоянно идут ветровые волны, высота которых в рекордных случаях достигает 30 метров. И довольно часты волны с перепадом высот в 10 метров. Так что на площади, на которую падает опрашивающий сигнал, укладывается малое число ветровых волн. Как эти волны отразятся на точности измерений высоты поверхности океана? Конечно, в любом случае точность упадет. Если бы количество волн было велико, то вариации времени прихода и интенсивности сигналов, отраженных от разных участков волн, взаимно компенсировались бы. И мы имели бы почти точно такую же картину, что и в пункте Г). Поэтому для эффективного увеличения количества периодов волн на опрашиваемом участке можно усреднять (суммировать и делить) результаты нескольких измерений. Скажем, двадцати. Усреднение может быть кусочным или скользящим. Размеры волны цунами в направлении ее распространения (десятки километров) и ее скорость (200 м/сек) позволяют сделать это без риска пропустить прохождение волны цунами. Кроме того, следует учитывать и различие коэффициентов отражения для разных углов (от разных видимых участков волн). Для учета всего этого потребуются огромные вычислительные мощности. Причем часть вычислений по первичной обработке принятых сигналов лучше произвести аналоговыми методами.

Для выполнения всех этих работ в нужном темпе следует распараллелить вычисления (возможно, понадобится 1000 процессоров на каждом спутнике) и прием отраженных сигналов от разных сканируемых точек (понадобятся сотни смесителей принимаемого сигнала). Что при нынешнем уровне электроники находится в пределах возможного.

Предлагаемая система мониторинга имеет не только практическую ценность как средство предупреждения об опасности цунами, но и научно-познавательную. Прежде всего, мы сможем непосредственно измерить параметры геоида (уровня моря). То есть, измерить расстояние поверхности геоида от центра Земли. Именно измерить его, а не получить в результате многоступенчатых интерпретаций и расчетов. С помощью системы мониторинга мы сможем наблюдать приливные деформации и поверхности океана, и поверхности суши.

С помощью этой системы можно будет предупреждать корабли об уровне волнения в различных зонах океана.

Сможем наблюдать также понижение уровня моря в зоне высокого атмосферного давления, как это изображено на рис 1м) . Вполне возможное повышение атмосферного давления на 3% эквивалентно слою воды толщиной примерно 30 см. Зададимся вопросом: как будет вести себя поверхность океана при перемещениях зон высокого и низкого атмосферного давления? Если граница зон высокого и низкого давления будет неподвижна, или будет двигаться очень медленно, то ничего особенно интересного мы не увидим – только понижение уровня океана, соответствующее отклонению атмосферного давления от нормы. Но если эта граница будет двигаться быстро, то может случиться, что на границе быстро перемещающихся зон высокого и низкого давления будет сгенерирована волна, подобная волне цунами. Ситуация здесь представляется аналогичной ветровому нагону воды в восточной части Балтийского моря, когда уровень воды в Санкт-Петербурге поднимается на несколько метров! Возможно, загадочные гигантские одиночные волны в открытом океане, обнаруженные при помощи спутниковой альтиметрии (моряки их называют волнами-убийцами), и являются результатом быстрого (с некоей «нужной» скоростью) вытеснения воды из зоны высокого атмосферного давления?

Кроме того, предлагаемая система мониторинга поверхности океанов может использоваться для последующего создания на ее базе системы краткосрочного прогнозирования землетрясений. Важной составляющей краткосрочного прогнозирования землетрясений является отслеживание с большой точностью напряжений в земной коре. А напряжения земной коры прямо связаны с ее деформациями. Деформацию коры можно отслеживать, наблюдая за смещениями заданных точек на земной поверхности.

Так что можно, и даже нужно использовать эти же самые аппаратные измерительные средства на спутниках не только для отслеживания высоты поверхности океана, но и для слежения за координатами точек и на поверхности суши. Для этого в орбитальном оборудовании должно быть предусмотрено только дополнительное программное обеспечение (и его модификация в ходе эксплуатации) и соответствующее энергоснабжение (и больше ничего!). Координаты точек на суше нужно будет определять по несколько иной схеме, чем в океане, поскольку большие нерегулярные перепады высот на суше делают невозможным применение такой же схемы, что и для океанов. На суше же для идентификации точек (за которыми мы хотим наблюдать) необходимо установить соответствующее количество дешевых простейших уголковых отражателей на колышках. Для установки в нужном месте их можно привинчивать, вкапывать, забивать молотком или сбрасывать с вертолета. Уголковый отражатель возвращает сигнала точно в обратном направлении (как катафоты на автомобилях). Вместо уголковых отражателей можно использовать другие устройства с той же функцией (возврата луча).

Координаты точек (уголковых отражателей) можно будет определять с гораздо большей точностью (до 1 сантиметра по всем координатам вместо гарантированных 20?30 сантиметров по высоте и неопределенных метров по горизонтали в океане). Но это можно делать уже во вторую очередь. То есть, создавать сеть маркированных (уголковыми отражателями) точек в нужных местах суши и развивать методы прогнозирования землетрясений можно уже после начала рабочей эксплуатации системы мониторинга цунами (и наряду с продолжением эксплуатации). Во время движения спутников над сушей их можно использовать даже в коммерческих целях. С помощью их оборудования можно с очень большой точностью (до сантиметров) определять координаты точек земной поверхности по телефонным (SMS) заявкам (с указанием при подаче заявки приблизительных координат тестового уголкового отражателя). Можно без затрат отслеживать и положение материков, и высоту (координаты) отдельных горных вершин.

Отслеживание смещений точек на суше может быть использовано для обнаружения на всей земной поверхности (а не только вблизи особо ценных объектов, как это уже делается) сейсмических волн от только что произошедших землетрясений и сверхоперативного предупреждения населения об опасных сейсмических волнах даже вблизи эпицентра землетрясения за несколько секунд до их прихода. Скажем, за 10 сек (= 50 км / 5 (км/сек)). Этого времени достаточно для остановки особо опасных процессов. На больших расстояниях от эпицентра землетрясения запас времени до прихода сейсмической волны будет гораздо большим. Правда, с другой стороны, и актуальность предупреждения там меньше – меньше разрушительная сила землетрясения.

Кроме того, эти же спутники можно использовать и для визуального наблюдения за погодой и для сбора другой метеорологической информации на большей части Земли. Это совмещение ничему бы не мешало, поскольку и метеопрогноз, и прогноз стихийных бедствий представляют собой деятельность в одном направлении.

Технические характеристики системы орбитального мониторинга цунами

Какие требования должны быть предъявлены к Системе Орбитального Мониторинга Цунами (СОМЦ)?

Прежде всего, нужно определиться с количеством ИСЗ и высотой их орбит. Их количество и высота вытекают из параметров волн цунами и технических возможностей. Размеры волны цунами позволяют задаться следующими исходными цифрами:

Погрешность определения высоты поверхности океана – не более 20 см.

Дискретность по горизонтали (расстояние между сканируемыми точками на поверхности океана) вполне приемлема на уровне 8 ? 10 км.

При скорости цунами 200 ? 250 м/сек и длине волны 10 км время между опросами точек не должно превышать 20 секунд. При большей длине волны (или меньшей скорости волны) и время между опросами может быть больше.

Отсюда вытекают параметры предлагаемой системы.

Высота ИСЗ над земной (водной) поверхностью 10 000 км.

Зона, активно опрашиваемая радиоимпульсами со спутника (под ИСЗ) диаметром порядка 7 000 км.

Зона, из которой принимаются отраженные опрашивающие сигналы, свои и посланные с других ИСЗ, диаметром порядка 12 000 км.

Отсюда следует, что для надежного покрытия измерительными возможностями движущихся ИСЗ всей поверхности Земли (от северного полярного круга до южного), этих спутников понадобится примерно 36 ? 40 штук.

Таким образом, максимальная зона ответственности каждого ИСЗ (для которой он опрашивает точки поверхности и проводит все расчеты) для простоты может быть принята как квадрат со стороной в 6 000 км и расстоянием между опрашиваемыми точками в 6 км. Так что каждый ИСЗ обрабатывает точки квадратного растра размером 1000 * 1000 = 1 000 000 точек (хотя более эффективен шестиугольный растр). Кроме того, чтобы обеспечить расчетными данными соседние ИСЗ, спутник должен принимать сигналы, отраженные от точек поверхности океана, сканируемых импульсами с соседних спутников, и передавать этим спутникам точное время приема сигналов, отражаемых каждой опрашиваемой точкой в океане. Имеются в виду точки растров соседних ИСЗ. Понятно, что для приема отраженного сигнала, излученного соседним ИСЗ, антенна также должна быть очень остро направлена в нужное время на нужную точку в океане (с необходимой точностью и с соответствующей диаграммой направленности, чтобы принимать сигнал от нужной точки, а не от соседней с ней, также сканируемой).

Для обеспечения необходимой точности определения высот поверхности нужны очень остро направленные приемо-передающие антенны. Чтобы диаметр пятна опрашивающего сигнала был не более 500 м, нужно обеспечить расходимость луча не более 1/20 000 для принятой высоты орбиты ИСЗ (10 000 км). Для обеспечения такой параллельности (малой расходимости) опрашивающего пучка нужно, чтобы при разбросе фронтов излучаемых импульсов в 1см (дина волны ? = 1 см), диаметр антенны был 200 м. Антенны состоят из большого количества малых синхронизированных излучателей-приемников. За счет синхронизации элементарных излучателей и достигается острая направленность антенн, как при излучении опросного сигнала, так и при приеме отраженного сигнала. Опрашивающий импульс должен быть мощным (учитывая расстояние до поверхности) и коротким, порядка 3*10-10 сек (для достижения требуемой точности).

Работа всех ИСЗ должна быть очень точно синхронизирована – ведь ошибка по времени в 10-9 сек эквивалентна ошибке в определении координат в 30 см.

Синхронизированная работа всех ИСЗ может быть организована приблизительно так:

Время сигнала в пути (от излучающей антенны до поверхности + от поверхности до приемной антенны) будет колебаться от 2*(H/C) до (H/C) + (1.5*H/C) к соседнему ИСЗ. Грубо от 2/30 сек (0.066 сек) до 2.5/30 сек (0.084сек). Так что опрос растров (своих для каждого ИСЗ) на поверхности океана должен идти строго синхронно, одновременно для всех ИСЗ пачками опросных импульсов: излучение пачки в течение 0.06 сек; затем прием до прихода последнего ответного импульса предыдущей пачки (за время .0.006 сек + 0.084 сек). Плюс резервное время. Так что, можно сказать, что опрос должен идти циклами по 0.2 сек. Во время этого цикла можно опросить примерно 1/5 растра, т.е., 200 000 точек. Но излучение должно идти только в первые 0.06 сек из цикла продолжительностью 0.2 сек. То есть на опрос одной точки отводится 0.06сек/200000 точек = 3* 10-7 сек/точку = 0.3 микросекунды/точку. После излучения очередного импульса продолжительностью 3*10-10 сек антенна должна быть за 3* 10-7 сек перестроена для излучения следующего импульса в соседнюю точку растра. То есть, должны быть перестроены задержки, с которыми элементарные излучатели, образующие антенну, будут излучать следующий импульс.

Все эти манипуляции при излучении легко укладываются во времени. Гораздо хуже будут обстоять дела при приеме сигналов, отраженных от разных точек поверхности океана. Ведь каждый спутник должен принять не только сигналы от точек, опрашиваемых им самим, но и сигналы от точек, опрашиваемых тремя (четырьмя) соседними ИСЗ. Кроме того, времена сигналов в пути, проходящих по разным траекториям (от излучателя до поверхности + от поверхности до принимающей антенны, в том числе и на другом ИСЗ) будут существенно различаться. То есть, на принимающую антенну может прийти раньше (или одновременно) сигнал от позже опрошенной точки. Как преодолеть эту проблему? Опять же, при нынешнем уровне электроники эту проблему можно разрешить достаточно просто. Цена вопроса упирается в количество и массу орбитального оборудования. А решение заключается в том, что нужно иметь не одну антенну, а много. Это достигается следующим образом: как при излучении, так и при приеме диаграмма направленности антенны изменяется не механическим путем (поворотом конструкции), а электронным – переключением задержек к элементарным излучателям, или от элементарных принимающих антенн к смесителю–сумматору сигнала. Поэтому из одного набора элементарных антенн можно получить несколько синтезированных принимающих антенн, предусмотрев нужное количество наборов принимающих линий задержки и смесителей – сумматоров сигналов.

Для изменения – переключения в нужном темпе диаграммы направленности антенны излучающие и принимающие наборы линий задержек управляются быстродействующими компьютерами с учетом изменения координат ИСЗ вследствие их движения. Кроме того, компьютеры должны еще принимать информацию о времени прихода на соседние спутники сигналов от точек, опрашиваемых данным спутником. И обрабатывать всю эту информацию. В том числе, суммировать, усреднять информацию (покусочно или скользяще) по нескольким полным циклам опроса всего растра (в течение 20 сек с целью уменьшения ошибок для неспокойного моря). А также сравнивать полученные значения высот водной поверхности со стандартными. Результаты сравнения передаются в наземные пункты контроля. Отсюда и возникают уже упоминавшиеся цифры – сотня наборов линий задержек и тысяча процессоров (для современной электроники это всего лишь несколько десятков килограммов).

Кроме большого объема чисто вычислительных работ процессорам придется заниматься и стабилизацией антенны огромных размеров.

Чтобы обеспечить создание антенны диаметром 200 м, нужно не так уж много. Она может быть выполнена объемной – в виде тетраэдра с 4 ребрами длиной по 200 м. Если принять массу ребер по 200 кг (1 кг/м), то получим вполне приемлемую массу несущей конструкции – 800 кг. В вершинах тетраэдра должно быть размещено основное оборудование. Элементарные антенны могут быть установлены на ребрах. А сам тетраэдр должен быть постоянно ориентирован на центр Земли, т.е., ИСЗ должен медленно вращаться вокруг оси, параллельной оси орбитального вращения, в темпе своего орбитального вращения вокруг Земли (подобно Луне). Если же вращение ИСЗ будет идти не в нужном темпе, или по какой-то причине возникнут механические колебания конструкции, то огромные вычислительные мощности ИСЗ позволят компенсировать все эти неприятности за счет пересчета и изменения задержек.

Конечно же, люди, знакомые с техникой, отметят, что невозможно добиться идентичности параметров многочисленных элементарных приемо-передающих антенн, и вследствие этого, невозможно достичь требуемых характеристик приемо-передающих орбитальных комплексов. Если направленность приемной антенны представляется вполне реальной – порядка 1/20 000 ? 10" (10 угловых секунд – это меньше разрешающей способности современных радиотелескопов), то диаграмма направленности антенны при излучении в 1/20 000 представляется технологически недостижимой (из-за разброса параметров отдельных элементов системы как по времени, так и по мощности). Однако эту проблему можно преодолеть обходным путем. Для этого совсем не обязательно добиваться идентичности характеристик элементов антенны, а можно подгонять параметры элементов антенн методом их пошагового изменения – подгонки задержек и мощности импульсов для каждой элементарной антенны в ходе эксплуатации орбитальных комплексов во время их пролета над юстировочным полем. Такие юстировочные поля должны состоять из многих автономных антенн, предназначенных для измерения характеристик импульсов, излучаемых ИСЗ (пространственного и временного распределения). И предназначены эти поля для корректировки параметров передающих антенн ИСЗ, входящих в состав СОМЦ. Поля могут иметь размеры 10 км * 10 км и могут быть размещены на непригодных для хозяйственных целей территориях. Например, в американском штате Невада или в Казахстане.

Интересные статьи по теме :

  1. Орбитальный мониторинг цунами. Часть 1
  2. Орбитальный мониторинг цунами. Часть 3, заключительная

Если Вам понравилась статья, то Вы можете получать новые материалы shumilov.kiev.ua по RSS, присоединиться ко мне на твиттере, или можете просто получать обновления блога на e-mail: