Envisat

Envisat er en forkortelse for «Environmental Satellite», en miljøsatellitt bygget av ESA. Envisat ble skutt opp med Ariane 5G 1. mars 2002 fra Kourou i Fransk Guyana og er med sine 8211 kg pr. dags dato den største satellitten som er skutt opp. Den sirkulerer i en solsynkron polar bane i ca. 790 km høyde og sveiper rundt Jorda på 101 minutter. Satellitten er en videreføring av ERS-programmene. Ny teknologi gir mer presise instrumenter og vi får bedre resultater enn med ERS-satellittene. Dette sikrer god kunnskap om miljøet og prosesser på Jorda samt overvåkning og styring av Jordas ressurser.

Envisat blir blant annet benyttet til GLOBCOVER-prosjektet der MERIS-instrumentet tar detaljerte bilder av jordoverflaten og setter det sammen til et kart. Bildene som nå blir tatt med Envisat gir en oppløsning på ca. 300 m og dette kartet har tre ganger høyere oppløsning enn tidligere satellittkart. Når kartet er ferdig vil det få mange bruksområder, blant annet for studier av menneskeskapte økosystemer og studier av klimaendringer. Totalt regner man 20 terabyte bildemateriale for å sette sammen hele GLOBCOVER-kartet.

Da orkanene Katrina (28. august 2005) og Rita (22. september 2005) herjet over Mexico-gulfen ga bilder tatt med ASAR og MERIS informasjon om vindhastighet og retning og bidro til økt beredskap før orkanene slo til for fullt. Bildene tatt med instrumentene MERIS OG ASAR dekker et areal på 100 x 75 km.

Envisat inneholder ni instrumenter for jordobservasjon og gir oss informasjon om Jorda (land, vann, is og atmosfære). De fleste av Envisats instrumenter er videreutviklede modeller av instrumenteringen fra andre satellitter, hovedsakelig ERS-1 og ERS-2. Instrumenteringen veier 2118 kg og instrumenteringsinnkapslingen opptar 3099 kg på massebudsjettet. Envisat inneholder også en rekke kontrollmoduler (bl.a. nyttelaststyringsmodul, servicemodul og fremdriftsmodul) og kommunikasjonsantenner i tillegg til instrumenteringen.

Følgende instrumentering finnes på Envisat:

Advanced Along Track Scanning Radiometer AASTR er siste utgave av instrumentene ATSR-1 og ATSR-2 som fantes ombord på ERS-1 og ERS-2. Instrumentet måler temperaturen på havoverflaten, har en oppløsning på ca. 1 km² og gir en nøyaktighet på 0,5K ved 80 % skyer. Har kanalene 1,6, 3.7, 11 og 12mm. Ved å studere temperaturendringer over en periode på mer enn ti år vil forskere ha mulighet til å prediktere globale temperaturendringer over lengre perioder. Det andre målet til AASTR er å studere vegetasjon på land og vegetasjonens tilstander:

• biomasse
• fuktighet
• helse og veksttilstand

AASTR-instrumentet er et imaging radiometer, som observerer i det infrarøde og det synlige frekvensspekteret. Instrumentet har en synsbredde på 512 km sentrert i nadir.

Advanced Syntethic Aperture Radar ASAR er Envisats største instrument og er pr. dags dato operativ. ASAR er et aktivt radarsystem og fordelen med det er at radaren kan se i all slags vær, både om natten og om dagen, og kan i tillegg se gjennom skydekket.

For å forklare ASAR ser vi på SAR generelt. SAR betyr syntetisk aperturradar og med dette mener vi at når radarantennen beveger seg vil avstanden mellom antennen og målet variere kontinuerlig, og fasen for det mottatte signalet vil variere i takt med avstanden. Når vi for et gitt tidsrom kjenner posisjonen for sending og mottak av en rekke pulser, kan vi addere ekkoene som om de var sendt samtidig fra en mye større vanlig radarantenne. SAR fungerer derfor som om det var brukt en antenne med diameter lik avstanden SAR-antennen har beveget seg. Uten denne teknikken ville SAR-antennen blitt 80 ganger større enn fartøyet i seg selv.

Relaterte ASAR-instrumenter: SAR, BISSAT, L-band SAR, L-SAR, PALSAR, RLSBO, SAR (RADARSAT), SAR (RADARSAT-2), SAR (SAOCOM) og TerraSAR-X,

Bildene fra ASAR gir informasjon om polene, snødekke, havbølger, størrelse og bevegelse av ishav, landegenskaper, jordfuktighet og avskoging. Vi har også mulighet til å katastrofeovervåke jordskjelv og oversvømmelser. Bildene kan også benyttes for å bestemme informasjon angående skipstrafikk (størrelse, posisjon og fart), og blir på den måten en del av overvåkningstjenesten til havs. ASAR er bygd opp på erfaringer fra ERS-1 AMI og ERS-2 AMI (Active Microwave Instrument) for å fortsette og utvide jordobservasjon med SAR. I forhold til ERS AMI er ASAR et avansert instrument som bruker mange nye teknologier med forbedret ytelse, slik som en aktiv gruppeantenne, en digital «chirp»-pulsgenerator og ScanSAR modus for å operere med stråleskanning i elevasjon.

ASAR opererer i C-båndet med en frekvens som ligger i mikrobølgeområdet (5,331 GHz) med fem polarisasjonsvalg (VV, HH, VV/HH, HV/HH, or VH/VV). Denne frekvensen ligger i et område der atmosfærisk dempning og nedbør har liten innvirkning på signalene. Antennen er en såkalt gruppeantenne, det vil si at antennearealet består av en rekke antennesegmenter, der hvert segment er utstyrt med sin egen sender og mottaker. ASAR-antennen på Envisat består av 20 plater som hver består av 16 moduler, totalt 320 sende- og mottakermoduler. I hver modul kan man endre både fasen og amplituden og på den måten endre formen og retningen på strålingsdiagrammet. ASAR kan tilpasses forskjellig operative krav, dekke forskjellige strålebredder og operere med forskjellige polarisasjoner. Den høyeste oppløsningen er 30 m, og den kan kun operere i 30 minutter for hvert omløp.

Envisats ASAR kan operere i to modi:

Global Modus: Datahastigheten er lav i global modus (0,9 Mbps), og det benyttes moderat effekt, ca. 700 W. I global modus kan ASAR brukes kontinuerlig over hele banen.

• I «Global Monitoring Mode» brukes SAR-teknikken til å dekke en skråbredde på 406 km med en oppløsning på 1 km.
• I «Wave Mode» benyttes tilbakespredning fra havoverflaten til å bestemme bølgetilstanden, og med dette kan man få data for små områder, 5 km x 5 km med 100 km avstand mellom områdene langs banesporet.

Regional Modus: I regional modus er datahastigheten betydelig større (100 Mbps), og en effekt mellom 1200 W og 1395 W. Operasjonstid ca. 30 minutter. Det er tre forskjellige typer områdemodi;

• Begrenset utstrekning. Områder som kan ligge med en innfallsvinkel mellom 15° og 45° langs banen. Det er nærmere angitt hvor de dekkede stripene ligger i forhold til banesporet for satellitten. Her kan bredden ligge mellom 0,6 km og 0,2 km.
• Bilder med polarisasjonsretninger. Bilder som i punktet ovenfor, men for hvert område genereres det ett bilde for hver polarisasjonsretning.
• Bredsporsmodus. I denne modusen dekker ASAR et bredere område på 405 km med 150 [meter|m] oppløsning. Det dekkes fem underområder med kontinuerlig bilde i dette dekningsområdet.

Doppler Orbitography and Radiopostioning Integrated by Satellite DORIS er et trackingsystem som kommuniserer med et tett nettverk av bakkemerker. På bakkestasjonene og i satellitten blir målingene presisjonsbearbeidet slik at Envisat får en omløpsbane med bare få centimeters avvik. I tillegg gir DORIS data som hjelper oss å forstå dynamikken til Jorda, overvåke isbreer, jord-ras og vulkaner. Den hjelper også med å bedre modelleringen av Jordas gravitasjonsfelt og ionosfæren. For å studere Jordas ionosfære brukes et dobbelt frekvenssystem som estimerer antallet frie elektroner.

DORIS ble opprinnelig laget for å utføre en presis omløpsanalyse av LEO-satellitter. Den ble konstruert for å gi en nøyaktighet på 10 cm eller mindre, og det realiseres ved hjelp av dopplerskifte som referanse. DORIS ble første gang brukt om bord på SPOT2-satellitten som ble sendt opp i 1990. Siden den gang har det blitt sendt opp flere satellitter med DORIS installert.

DORIS-instrumentet består av en ultrastabil krystalloscillator (USO) som er identisk med USOen som blir brukt på bakkemerkene til DORIS. Den har også dobbel frekvensantenne som sender i alle retninger. Hvert signal som sendes fra en bakkestasjon inneholder ID, som gir meteorologiske data og informasjon om stasjonens operasjonsstatus. Meldingen varer i 0,8 sekunder og blir sendt hvert 10. sekund. Toulouse og Kourou fungerer som tidsreferanse til DORIS. Her benyttes atomklokker for å få nøyaktig tid. Hovedkvarteret for posisjoneringen av DORIS ligger Toulouse.

MERIS (MEdium Resolution Imaging Spectrometerer) et spektrometer som måler solstrålingen som reflekteres fra skyer og jordoverflaten. Instrumentet analyserer 15 spektralbånd i det synlige og infrarøde spekteret, fra 390 til 1040 nanometer, har en synsvinkel på 68,5° og en oppløsning på 300 m. Ved hjelp av et spektrometer og en todimensjonal CCD-matrise gir den både romlig- og spektral sampling. Dette spektrometeret kan for eksempel overvåke algeoppblomstringer og vannkvalitet langt kysten.

Den primære oppgaven er å observere fargen og sirkulasjonen i havet. Dette reflekterer biologisk aktivitet. Instrumentets målinger er et viktig bidrag til forskere som vil forstå havet og dets systemet. Den sekundære oppgaven er undersøkelser av atmosfæriske parametere i skyer, vanndamp og aerosoler. I tillegg kommer jordoverflateparametere som vegetasjonsprosesser der den spektrale signaturen til vegetasjonen gir informasjon om vekstfase og klorofyllnivå.

Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars GOMOS er et såkalt middels spektrometer og er ESAs nyeste tilskudd til familien av instrumenter for undersøkelse av ozoninnholdet i atmosfæren. Hovedoppgaven til GOMOS er å måle profilen til O₃, NO₂, NO₃, OClO, temperatur og vanndamp. Den kan måle både dag- og nattside. Ca. 180 stjerner på dagsiden og 1450 på nattsiden. GOMOS kan foreta over 600 målinger pr. dag. Målinger foretas mellom tropopausen og 100 km høyde.

Litt fakta:

• Høydeoppløsning: < 1,7 km
• Plassert på nadirsiden (ned mot Jorda)
• Dekker bølgelengdeområdet fra 250 til 960 nm
• Masse: 175 kg
• Effektforbruk: 200 W
• Datarate som overføres til bakken: 226 kbit/s

Instrumentet måler hvordan atmosfærens gasser absorberer strålingen fra stjerner ved forskjellige bølgelengder i forskjellige luftlag. Instrumentet rettes mot en forhåndsbestemt stjerne som er synlig over atmosfæren og kontinuerlig måler spekteret fra ultrafiolett (250 nm til 675 nm) via synlig (756 nm til 773 nm) til det nære infrarøde (926 nm til 952 nm). Etter hvert som stjerner forsvinner bak horisonten vil strålingen gå gjennom en stadig større og tykkere del av atmosfæren. Spekteret vil forandre seg siden strålingen går gjennom lavere og lavere luftlag. Den kjemiske sammensetningen av atmosfæren i forskjellige høydelag bestemmes ut fra kunnskapen om spekteret til stjernen og atmosfæregassenes evne til absorpsjon av ulike bølgelengder.

Michelson Interferometer for Passiv Atmospheric Sounding Dette er et såkalt Fourier-transform-spektrometer, som måler termisk stråling fra gasser i den midlere og øvre atmosfæren. Målingene foretas i bølgelengdeområdet fra ca. 4 μm til 15 μm. Instrumentet kan kartlegge global distribusjon av opptil 20 forskjellige gasser, bl.a. O₃, HNO₃, H₂O, N₂O, CH₄, og KFK-gasser. Instrumentet veier 320 kg, har et effektforbruk på 210 W og en datarate på 550 kbit/s. MIPAS kan registrere og spektralt løse opp store mengder emisjoner som opptrer i atmosfæren. Fordelen med dette instrumentet er at alle gassene kan måles samtidig, men dette fører til at analysemetodene for å skille ut og bestemme konsentrasjonen til den enkelte gassen blir svært ressurskrevende.

Data fra MIPAS gjør det enklere å forstå ozonproblematikken og klimaoppvarmingen. Målinger fra MIPAS gir data med en unik global dekning, uavhengig av lysforhold eller årstid. MIPAS-instrumentet kan også observere loddrett i forhold til omløpsbanen.

MicroWave Radiometer Hovedoppgaven til mikrobølgeradiometeret er måling av den totale vannmengden som er i atmosfæren og vanninnholdet i skyene. Dette brukes for å korrigere RA-2 signalet. MWR er et tokanals radiometer som opererer på frekvensene 23,8 GHz og 36,5 GHz. Disse frekvensene brukes for å måle styrken av den svake vanndampsemisjonslinjen. MWR veier 25 kg, har et effektforbruk på 23 W og en datarate på 16,7 kbit/s.

Radar Altimeter-2 RA-2 er en radarhøydemåler som bruker en nadir-rettet-puls for å bestemme en toveis forsinkelse av radarekkoet fra Jordens overflate. Den har en hovedfrekvens på 13,575 GHz og har en veldig høy presisjon på målingene. En kanal med frekvens 3,2 GHz, beregner feil i rekkeviddemålinger, forårsaket av gjennomløpstid av radarsignalet gjennom ionosfæren. Nøyaktigheten på målingen avhenger av karakteristikken til Jordoverflaten. Best nøyaktighet fås ved målinger rett over havet, fordi det er tilnærmet homogent. Tida fra utsending av puls til mottak av ekko, er proporsjonal med høyden til satellitten. Styrken og formen til ekkoet inneholder informasjon om karakteristikken til overflaten som forårsaket refleksjonen.

SCanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CHartographY.

Primæroppgaven til instrumentet er å utføre globale målinger av gasser i troposfæren og stratosfæren. SCIAMACHY tar målinger av solspektre, topografi, egenskaper til skyer, hav- og bakkerefleksjon. SCIAMACHY er en fortsettelse av GOME-instrumentet som så «verdensrommet» på nært hold første gang i 1995 om bord på ERS-2. Forskjellen er de fire første kanalene på SCIAMACHY som dekker de samme bølgelengdene i UV og synlig lys som GOME dekker. Det som også er nytt i forhold til GOME er at SCIAMACHY har muligheten til å kalkulere sfærisk geometri, og kan ta høyoppløselige bilder av H₂O, O₃ og CH₄. SCIAMACHY kan også brukes til å lage ozonkart.

Laser Retro Reflector LRR er et passivt speil og kan derfor ikke betraktes som et instrument. Den brukes som støtte til posisjonsbestemmelse og til RA-2 instrumentet som høydekalibrering. Ved hjelp av ILRS-stasjoner, som er et globalt nettverk av bakkebaserte laserstasjoner, kan man få en veldig nøyaktig posisjonsbestemmelse til satellitten. Laserstasjonene sender korte pulser opp mot Envisat, og måler deretter tiden det tar til ekkoet mottas. Dermed kan posisjonen til Envisat beregnes.

Envisat benytter enkomponentdrivstoff av typen hydrazin, N₂H₄, for banekorreksjon. Envisat bærer 319 kg drivstoff og dette er fordelt på fire tanker. Fremdriftssystemet drives av en termisk kontroll og et solcellepanel med modifisert maskinvare fra SPOT-4, alt forbundet med servicemodulen. Det forventes et drivstofforbruk på 1/3 innen ti år.

Banekontrollmodulen (OCM) sørger for at Envisat holder seg innenfor de krav som er stilt til avvik fra sin planlagte rute. Dette kravet er satt til 1 km og med minimal forstyrrelse av målinger og Envisats oppdrag generelt. Såkalte in-plane-manøvreringer korrigerer høyde for å kompensere luftmotstand. Viktige faktorer her er baneforsinkelsen, lufttettheten og solaktiviteten. Dette er faktorer som henger direkte sammen og bestemmer hyppigheten til in-plane-manøvreringene (normalt to ganger pr. mnd.). Out-of-plane-manøvrering kompenserer for inklinasjonsavvik forårsaket av sol- og månegravitasjon. Solvind påvirker også inklinasjonen, men i mindre grad enn sol- og månegravitasjon. Manøvreringene skjer i ellipse for å unngå og skade optiske sensorer i direkte solstråling.

Høyde- og banekontrollsystemet bruker en stjernesensor og flere gyroer sammen med solsensorer og jordsensorer. RA-2 og MWR måler, ved hjelp av en dobbel frekvensmodulert puls, satellittens høyde over Jordas overflate med 4,5 cm nøyaktighet. Den første frekvensen er hovedsignalet og den andre frekvensen brukes til ionosfæregjennomløpstidskorreksjoner. DORIS og LRR måler eksakt baneposisjon til satellitten med 4,5 cm nøyaktighet og banehastighet med nøyaktighet 0,4 mm/s. Dette er basert på nøyaktig måling av dopplerskift i radiofrekvenssignaler sendt fra bakkepunktene til satellitten. Dopplermålingene gjøres ved 2,03625 GHz og de ionosfæriske korreksjoner måles ved 401,25 MHz. DORIS er et standardsystem brukt på flere satellitter som trenger høy posisjonsnøyaktighet.

Envisats servicemodul (SVM) er en videreføring av SPOT-4 hvor designet er nytt, men prinsippet er det samme. SVM veier 2673 kg, har et effektforbruk mellom 684 W og 859 W avhengig av posisjon og er utviklet av Astrium (Dornier).

I det følgende kommer en oversikt over en del publiserte feil og uregelmessiggeter som har oppstått i Envisats levetid.

ASAR

«ASAR antenna gain problem» er et problem som stadig dukker opp i forbindelse med ASAR-instrumenteringen. Siden 10. juli 2003 har dette problemet dukket opp 59 ganger. På grunn av denne feilen ble strålingsmønstret i antennen endret og måledata ble derfor påvirket. I noen tilfeller ble måledata så dårlig at de måtte forkastes. ASAR opplevde også problemer med timing i innkjøringsfasen.

GOMOS

Feilkoden «Elevation voice coil command saturation error» inntraff første gang 24. januar 2005, og førte til kontrollsvikt i teleskopets elevasjonsdrivmekanisme (kalt «elevation voice coil mechanism»). Svikten inntreffer i forberedelsen til observering av en stjerne, dvs. når teleskopet innstilles mot den aktuelle stjernen. Instrumentet blir automatisk satt i hvilemodus og må deretter restartes fra bakken. Vanlige gjenopprettingsprosedyrer feilet, og feilen inntraff igjen umiddelbart. En del tester ble utført og problemet lå i MDE-apparaturen (Mechanism Drive Electronics), med usikkerhet om denne modulen fikk nok strøm hvis observasjonen mellom to stjerner hadde vinkel >20º. Løsningen ble derfor å redusere asimutrekkevidden til ±10° samt å modifisere instrumentet til å ignorere denne type feil. Konsekvensen var at GOMOS mistet en til fem stjerneobservasjoner pr. omløp. Modifikasjonen ble utført 29. august 2005 og instrumentet er nå operativt igjen, foruten dagens Ka-bånd-problemer.

MIPAS

I mars 2004 opplevde MIPAS et større antall feil og instrumentet ble satt i redusert modus. Feilene vedvarte i redusert modus og 20. august 2004 planla ESA 20 dagers utilgjengelighet for å rette feilen.

MWR

Småfeil ble oppdaget like etter aktivering og disse feilene lå i ICU-programvaren (Instrument Control Unit). En korreksjonsfil ble lastet opp for å rette dette.

RA-2

RA-2 instrumentet lider av periodisk feil i mottak av S-båndets radarekko. Målingene ble derfor ubrukelige. En spesiell algoritme ble utviklet for å kunne rekonstruere signalene.

• European Space Agency
• EADS Astrium