3.2.3. Метод радіозатемнень

Принцип зондування атмосфери Землі методом радіозатемнень полягає в наступному. Два супутники, ГНСС-супутник-випромінювач сигналів (G) і супутник-приймач сигналів (L), знаходяться на орбітах різної висоти і рухаються з різними швидкостями відносно поверхні Землі (див. рис. 3.1). При заходженні супутника L в зону тіні Землі щодо ГНСС-супутника G перигей Т променевої траєкторії GТL, переміщуючись уздовж лінії ТD, проходить через іоносферу і нейтральну атмосферу.

Приймач на супутнику L реєструє сигнали на двох частотах, зміни фази і амплітуди яких містять інформацію про характеристики навколоземного простору вздовж траси поширення радіохвиль GТL. При допущенні про локальну сферичну симетрію навколоземного середовища ці зміни викликані, головним чином, впливом областей іоносфери і атмосфери поблизу точки перигея Т променевої траєкторії. Далі за виміряними змінами фаз і амплітуд і за відомими ефемеридами

супутників G і L можна розрахувати висотний профіль кута рефракції і потім, за допомогою перетворення Абеля, знайти висотну залежність показника заломлення. Далі, з профілю показника заломлення отримують профілі температури, парціального тиску водяної пари і атмосферного тиску (з основного рівняння статики атмосфери) в атмосфері, а також характеристики електронної концентрації в іоносфері.

Вимірювання методом радіозатемнень в підсумку дають інформацію про:

• атмосферу (вертикальні профілі густини повітря, тиску, температури, вологості тощо);

• іоносферу (вертикальні профілі електронної концентрації);

• відбиття від земної поверхні.

У період після 1995 року були запущені низькоорбітальні (переважно метеорологічні) супутники GPS/MET (Micro-Lab-1), CHAMP, SAC-C, GRACE, METOP тощо, які у поєднанні із системою GPS-супутників виконували зондування атмосфери методом радіозатемнень. Ці супутники масою від 70 до 250 кг були оснащені приймачами GPS-сигналів і приймали ці сигнали, що пройшли через шари іоносфери і нейтральної атмосфери. Прийняті сигнали передавались на наземні станції, де опрацьовувались для прецизійного обчислення фізичних параметрів атмосфери та іоносфери. Ці супутники виконували наукові завдання (без проведення регулярного моніторингу).

Рис. 7. Принцип зондування атмосфери методом радіозатемнень

У 2006 році були запущені 6 мікросупутників космічної системи “Formosat-3” (COSMIC), призначеної для регулярного моніторингу атмосфери та іоносфери методом радіозатемнень. Ці супутники з орбітами (Н=800 км, і=72°) і масою 69 кг забезпечували до 2500 зондувань в день у глобальному масштабі.

Моніторинг фізичних параметрів системою “Formosat-3” проводиться:

• у нижній (нейтральній атмосфері) на висотах 1...35 км з вертикальною роздільною здатністю 100 – 600 м;

• в іоносфері на висотах 90...400 км з вертикальною роздільною здатністю 800 м.

Похибка вимірювання температури складала 0,2-1.0 K (до 30 км) і 2-8 K (вище ніж 35 км). Зазначимо, що супутникова система “Formosat-3” не приймає сигналів від супутників ГНСС “ГЛОНАСС”, а працює лише зі сигналами GPS-супутників.

Подібною до системи “Formosat-3”, у Росії розроблена система дистанційного зондування “Радиомет-СМКА”, що базується на принципі радіозатемнення. Причому, ця система реєструє сигнали як від системи “ГЛОНАСС”, так і від системи GPS, а в перспективі прийматиме сигнали і від інших систем, наприклад, GALILEO тощо. Такий підхід дає можливість приблизно вдвічі підвищити частоту отримання метеорологічної інформації.

За повідомленням Space Daily, розпочинається реалізація проекту CICERO, що передбачає розгортання орбітального угрупування зі 100 низькоорбітальних метеорологічних мікросупутників. Зондування атмосфери буде здійснюватися методом радіозатемнень супутників GNSS-RO (Global Navigational Satellites System Radio Occultation). Втілення цієї реалізації надається спеціально створеному міжнародному консорціуму GeoOptics. Велика кількість супутників у системі та частота, з якою вони зможуть спостерігати заходження за горизонт супутників GPS, дозволять забезпечити моніторинг стану атмосфери в близькому до реального масштабі часу і з недосяжною раніше точністю вертикального профілювання атмосфери - у 20-50 разів вищою, ніж у кращих з існуючих метеосистем. Продуктивність системи складе 100 тис. профілів атмосфери щодоби. Технологія GNSS-RO дозволить отримувати вертикальні профілі густини атмосфери, тиску, температури, вмісту водяної пари, висоти геопотенциала, а також розподілу електронної щільності в іоносфері. Подібна інформація, що збирається одночасно по всій Земній кулі з високою вертикальною і горизонтальною роздільною здатністю, дозволить суттєво покращити прогнозування погоди. З її допомогою стане можливим більш детальне вивчення довгоперіодних змін клімату, а також моніторинг стану іоносфери, пов'язаного з магнітними бурями. Окрім спеціального обладнання GNSS-RO, на CICERO буде розміщене ще й інше обладнання наукового і прикладного призначення. Передбачалось, що перші 10 апаратів CICERO будуть виведені на орбіту до кінця 2010 року.