ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНЫХ АЛЬТИМЕТРОВ ДЛЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА БОРТУ МЕЖПЛАНЕТНЫХ СТАНЦИЙ: АНАЛИЗ ЗАРУБЕЖНОГО ОПЫТА

Введение     

В наиболее широком смысле лидар – это техническое устройство, предназначенное для лазерной локации исследуемых объектов и окружающей среды. Лидар генерирует короткие лазерные импульсы с заданной частотой и измеряет параметры отражённого обратно излучения.  Обрабатывая отражённый сигнал можно определить расстояние до объекта, его скорость, свойства поверхности, концентрацию аэрозолей и газов в окружающей среде и т.д. Лидары нашли применение не только на Земле, но и в космосе [1].

К числу основных областей применения лидаров в космосе относятся, в частности:

- альтиметры, дальномеры, доплеровские измерители скорости в системах управления, сближения и стыковки, а также посадки космических аппаратов (КА);

- атмосферные лидары для изучения облачного покрова, аэрозолей, а также циркуляции и химического состава (измерение содержания отдельных, в том числе парниковых газов) воздушной оболочки Земли и других планет тел Солнечной системы;

- лазерные альтиметры и картографические лидары для составления топографических карт и изучения свойств поверхности Земли  и планет Солнечной системы и их спутников;

- зондирование поверхности и приповерхностных слоёв мирового океана с околозем-ной орбиты;

- мониторинг ледовой обстановки в различных районах мирового океана и изучение ледового покрова Земли;

- мониторинг лесных массивов, оценка растительной биомассы в региональном и глобальном масштабах и т.п.

В рамках данной работы даётся краткий обзор состояния лидарных технологий для планетных исследований за рубежом на примере ряда флагманских миссий NASA и JAXA. Рассматриваются, в первую очередь, лидары для выполнения научных задач, а не технические устройства для обеспечения мягкой посадки на поверхность небесных тел или сближения и стыковки космических аппаратов в рамках сложных миссий по доставке грунта с Луны, планет и их спутников. В настоящий момент Россия практически не обладает опытом применения лидаров в лунных и планетных исследованиях. Вместе с тем, планируется ряд миссий к Луне, Венере и Марсу, в которых данные технологии будут востребованы, что делает актуальным исследование и обобщение опыта других стран в этой области.

При исследовании планет, их спутников, а также малых тел Солнечной системы лидары, в основном, применяются для построения топографических карт, а также для точного определения расстояния до объекта при посадке. Однако возможны и исследования атмосферы, в частности, концентрации и свойств аэрозолей, а также облачных образований в атмосфере Марса.

История космических лидаров берет начало в 1971 году именно с применения в лунной миссии – с запуска Apollo 15, на борту которого был использован первый космический лазерный альтиметр [2,3]. Однако активные прикладные исследования начались только в 90-х годах, также с запуска лунного топографического лидара в рамках миссии Clementine [4].

Составление топографических карт с помощью лидаров позволяет существенно дополнить данные о строении поверхности и геологии планет и их спутников благодаря точному измерению высоты, недостижимому путём анализа снимков, полученных камерами различного диапазона спектра, а также радиолокационным методом. Указанные средства являются взаимодополняющими: камеры высокого разрешения позволяют получить изображения поверхности с орбиты с горизонтальным разрешением до нескольких метров и лучше (вплоть до 0,1 м), радиолокация даёт возможность проникнуть под поверхность небесного тела, а лазерные альтиметры обеспечивают беспрецедентное разрешение по высоте.

Основные реализованные проекты планетных лидаров NASA и JAXA

Наибольших успехов в применении лидаров для планетных исследований добились США и Япония в рамках миссий по изучению Луны, Марса и астероидов. Ниже рассмотрен ряд наиболее значимых проектов в этой области, давших максимальные научные результаты.

Альтиметр LOLA [5] размещён на борту американского искусственного спутника Луны LRO, ведущего комплексные исследования естественного спутника Земли, начиная с 2009 года по настоящее время.  АМС находится на полярной орбите Луны высотой около 50 км. С помощью  LOLA были получены исключительно точные лунные топографические карты, позволившие не только уточнить геологическую историю Луны, но и весьма точно картировать области вечной тени вблизи лунных полюсов, где могут находиться запасы воды в виде льда.

Источником лазерного излучения данного лидара, как и всех других, рассмотренных ниже, являлся твердотельный лазер Nd:YAG с длиной волны 1064 нм. В качестве оптической схемы приёмника используется система Кассегрена с диаметром главного зеркала 140 мм. Детектор излучения – лавинный фотодиод.

Альтиметр MOLA [6]  размещался на борту американского спутника Марса MGS и послужил для точного определения высот поверхности красной планеты. Это позволило пролить свет на некоторые этапы геологической истории Марса, в частности, возможность существования в прошлом океана на территории северных равнин, а также изучить эволюцию полярных шапок планеты, уточнить фигуру Марса и характеристики его гравитационного поля. Прибор с апертурой главного зеркала 500 мм (для приёмника используется оптическая схема Кассегрена) функционировал на высоте около 400 км в период с 1996 по 2006 годы.

Необходимо отметить, что НАСА применило также лидар для изучения аэрозолей в атмосфере Марса в ходе посадочной миссии Phoenix в 2007 году [7].

Япония обладает большими достижениями в области исследования астероидов космическими средствами [8-12].

На АМС Hayabusa и Hayabusa-2 [8-11], предназначенных для исследования астероидов Итокава и Рюгю,  а также доставки с них образцов грунта на Землю, были установлены лидары для измерения дальности до поверхности астероида, что служило не только навигационным целям, но и позволило составить достаточно точные топографические карты этих объектов. Кроме того, точное позиционирование космических аппаратов относительно астероидов позволило с высокой точностью определять параметры орбиты АМС, а значит – характеристики гравитационного поля этих объектов, их массу, геометрию и особенности внутреннего строения. Приёмники приборов имели оптическую часть, построенную по схеме Кассегрена, с диаметрами главных зеркал из карбида кремния (SiC) равными 126 мм и 110 мм, соответственно. Детекторы излучения – лавинные фотодиоды.

На основе лидаров для АМС «Хаябуса» создаётся лидар для миссии MMX, запуск которой намечен на 2026 год [12]. Предполагается, что АМС ММХ достигнет системы Марса, выйдет на орбиту, близкую к орбите Фобоса, и после длительных исследований этого марсианского спутника осуществит забор проб реголита с его поверхности, которые будут доставлены на Землю в 2031 году. Помимо отбора образцов грунта на Фобосе предполагаются дистанционные исследования Деймоса. Задача лидара – определение точного расстояния до поверхности спутников Марса не только с навигационными целями, но и для построения топографических карт поверхности и изучения их оптических свойств.

Основные технические характеристики лазерных альтиметров на борту автоматических межпланетных станций

Ниже, в таблице 1, приведены основные технические характеристики лидаров для планетных исследований, описанных выше. Погрешность определения дальности с помощью лазерных альтиметров зависит от высоты (расстояния) до объекта, поэтому для лидаров японских миссий к астероидам и спутникам Марса эта величина будет различной в зависимости от текущей дистанции (для АМС «Хаябуса» данные приведены для расстояний от 1 до 20 км).

Таблица 1 Основные технические характеристики зарубежных космических лидаров для атмосферных исследований

Выводы

1. Космические лазерные альтиметры успешно применяются в планетных исследованиях для составления топографических карт поверхности тел Солнечной системы с высоким разрешением, исследования атмосфер планет и их спутников, изучения гравитационных полей небесных тел. Также они используются в системах навигации и управления автоматических межпланетных станций.

2. Как правило, в лазерных альтиметрах используются твердотельные лазеры с длиной волны 1064 нм, приёмники с апертурой от 0,1 до 0,5 м, построенные по схеме Кассегрена. В качестве детекторов отражённого лазерного излучения применяются лавинные фотодиоды. Альтиметры отличаются компактностью и небольшой (несколько килограмм) массой. Соответственно, они могут применяться на борту малых космических аппаратов.

3. Важным преимуществом лазерных альтиметров, по сравнению с другими средствами получения информации о структуре поверхности небесных тел, является высокое разрешение по высоте (дальности).

1. Fouladinejad F. et al.  History and applications of space-borne lidars // The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XLII-4/W18, GeoSpatial Conference – Joint Conferences of SMPR and GI Research, 12–14 October 2019, Karaj, Iran.
2. Murphy T. W. et al. The apache point observatory lunar laser-ranging operation: instrument description and first detections //Publications of the Astronomical Society of the Pacific. 2008. Vol. 120. №. 863. 20 p.
3. Final Report for Laser Altimeter. № 73-17567. NASA-CR-128738. Radio Corp. of America. 1978. 100p. URL: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19730008840/downloads/ 19730008840.pdf
4. Ledebuhr, A. G., et al. HiRes camera and lidar ranging system for the Clementine mission // SPIE Vol. 2472 Applied Laser Radar Technology II. 1995. P.61-81. DOI 10.1117/12.212030.
5. Ramos-Izquierdo L. et al. Optical system design and integration of the Lunar Orbiter Laser Altimeter //Applied optics. 2009. Vol. 48. №. 16. p. 3035-3049.
6. Lewis S. R. et al. Assimilation of thermal emission spectrometer atmospheric data during the Mars Global Surveyor aerobraking period // Icarus. 2007. Vol. 192. №. 2. p. 327-347.
7. Whiteway J. A. et al. LIDAR on the Phoenix Mars mission //J. Geophys. Res. – 2008. Vol. 113.
8. Saito J. et al. Detailed images of asteroid 25143 Itokawa from Hayabusa // Science. 2006. Vol. 312. №. 5778. p. 1341-1344.
9. Barnouin-Jha O. S. et al. Small-scale topography of 25143 Itokawa from the Hayabusa laser altimeter // Icarus. 2008. Vol. 198. №. 1. p. 108-124.
10. Matsumoto K. et al. Improving Hayabusa2 trajectory by combining LIDAR data and a shape model // Icarus.  2020. Vol. 338. P. 113574. DOI 10.1016/j.icarus.2019.113574
11. Mizuno T. et al. Development of the laser altimeter (LIDAR) for Hayabusa2 // Space Science Reviews. 2017. Vol. 208. p. 33-47.
12. Senshu H. et al. Light detection and ranging (LIDAR) laser altimeter for the Martian Moons Exploration (MMX) spacecraft. Springer Berlin Heidelberg, 2021. Vol. 73. p. 1-6.

Все статьи автора «Евдокимов Роман Александрович»