Az ERS-1 program része az ESA (Európai Űrügynökség–European Space Agency) Európai Földmegfigyelési Programjának (European Earth Observation Programme, EEOP), mely számos tudományterületnek nyújt segítséget, így pl. meteorológia, klimatológia, óceanográfia, földi erőforráskutatás, geodézia, geofizika, stb. Az ERS program (European Remote Sensing Satellite Programme) az ESA, valamint a csatlakozó Norvégia és Kanada kezdeményezésére jött létre. Az EEOP program célja, hogy a közreműködő országok részt vegyenek a földi erőforrások feltárásában és a környezeti monitoringban. Az ERS-1 program elsődlegesen a jég és az óceán monitoringjára irányult, valamint a szárazföldek és a partmenti területek vizsgálatát tűzte ki célul. Főbb feladatai:

Mindezeket az igényeket számos egyedi eszköz segítségével érték el és a teljes rendszer (a földi és az űrbeli eszközök együttese) elsődleges feladata, hogy mindig, esetleg néhány órán belül, a világ bármely pontján felhasználható terméket állítson elő. Az ERS-1 távérzékelési, geodéziai célokat szolgált és egyben előfutára volt az 1990-es évek közepére, végére tervezett új műholdgenerációnak.

Az ERS-1 ismétlődő, globális megfigyelést végez mikrohullámú berendezései segítségével. A radar alkalmazása biztosítja a folyamatos mérést és képkészítést az időjárási viszonyoktól függetlenül. A radar áthatoló képessége kiküszöböli a változó napsugárzási feltételeket, valamint a felhőborítottságot.

A műhold számos olyan paraméter mérését végzi, melyeket korábban egyetlen műholdon sem mértek. Ezek közé tartozik az óceáni áramlatok vagy a tenger/jég felszínek tanulmányozása. A mérési pontosság és az új mért paraméterek mellett a mikrohullámú tartományban vizsgált földfelszíni terület növekedése is fontos eredménynek számít. A sarki területekről vagy a déli félteke óceánjairól eddig kevés adat gyűlt össze, most ezek a területek is a vizsgálat tárgyát képezték.

A fedélzeti műszerek tervezésénél fontos szerepet játszott az az igény is, hogy lehetőség legyen a kiválasztott terület néhány órán belüli ismételt vizsgálatára. Ez elsősorban a gyakorlati meteorológia, a tengerállapot előrejelzés és a tenger-, jég-mozgás monitoring szempontjából kiemelkedő lehetőség. A fontosabb információ-felhasználók a tengeri és a partmenti hajózásban résztvevők.

E feladok megoldása érdekében az alábbi műszereket helyezték el az ERS-1 műholdon:

10.4. ábra - Az ERS-1 berendezései a műholdon ^[96]

10.5. ábra - Az ERS-1 főbb egységei oldalnézetben ^[97]

Az Aktív Mikrohullámú Berendezés – AMI

Az AMI két üzemmódban tevékenykedik: (1) képkészítő (Imaging Mode), és (2) hullám módban (Wave Mode).

A SAR képalkotó üzemmód esetén 100 km széles szalagszerű, nagyfelbontá-sú képet készít a repülési pálya irányában jobb kéz felé eső területről (IV.6. ábra). A 10 m hosszú antenna, mely párhuzamos a repülés irányával, egy impulzust küld a földfelszín felé. A kép fokozatosan épül fel a visszatérő jelekből időkésésük és intenzitásuk alapján. Az időkésés és az intenzitás elsősorban a felszín egyenetlenségétől, elektromos tulajdonságától, valamint a műhold és a felszín távolságától függ. A képkészítő üzemmód kizárja a többi SAR üzemmód egyidejű működését, és az intenzív energiafelhasználás miatt a képkészítő üzemmód ideje maximum 12 perc minden egyes pályán. Az adatfelvételezési és átviteli sebesség rendkívül nagy, 105 Mbps, így a fedélzeti adatrögzítés lehetetlen. A képek csak a vevőállomások körzetében készül-hetnek és ezek azonnal beérkeznek az adatok vételére alkalmas állomásokra.

10.6. ábra - Az ERS-1 AMI kép mód geometriája^[98]

Hullám módban a SAR a tengerhullámzás okozta radarvisszaverődési változásokat méri. Ebben az üzemmódban egy 5x5 km²-es területről (10.7. ábra) készül kép (inkább csak képszerű adatformának nevezhetjük) a pálya vonalában 200 km-es intervallumonként. Ezek a képek információt nyújtanak a tengerhullám terjedési irányáról és hullámhosszáról. Ilyen képsorozatok alkalmasak a szélviharok keltette pusztító hullámok felderítésére.

10.7. ábra - Az ERS-1 AMI hullámmód geometriája^[99]

A Radar Magasságmérő - RA

A radar magasságmérő egy nadír helyzetű radar, amely az óceán és a jégfelszín által visszavert jeleket méri. Két üzemmódja van: (1) az óceán és a (2) jégvizsgáló mód. Óceánvizsgáló módban a hullámok magasságát, a tengerfelszíni szélsebességet és a tengerfelszín emelkedését érzékeli. Ezek segítségével tanulmányozhatók az óceánok áramlásai, az árapály jelenség és a Föld geoid alakja. Jégvizsgáló módban, nagyobb felbontás mellett, a jégtípusokról, a sarki jégsapkák felszínéről és a tenger–jég határokról kaphatunk értékes adatokat (10.8.ábra).

10.8. ábra - Az RA sávok 3 napos és 35 napos ismétlődési ciklusban ^[100]

ATSR - Sávmenti Pásztázó Radiométer

Az ATSR két berendezést tartalmaz: (1) infravörös radiométer (IRR) és (2) mikrohullámú szonda (MWS).

A 4-csatornás IRR (InfraRed Radiometer) a tengerfelszín és a felhőtető hőmérsékletét méri, nagyobb pontossággal, mint a korábbi műholdakon elhelyezett hasonló műszerek. A pásztázó technika két különböző irányzás (0° és 52°) mellett alkalmazható, így 500 vagy 700 km széles földfelszíni sáv vizsgálható. Ha az 50x50 km²-es terület felhőborítottsága kisebb, mint 80 %-os, akkor a tengerfelszín hőmér-sékletének mérésekor az abszolút pontosság kisebb, mint 0,5° K. Ha az 1 km²-es terület teljesen felhőmentes, akkor a relatív pontosság 0,1°K.

Az MWS (MicroWave Sounder) mikrohullámú szonda, amely fizikailag az ATSR része, egy passzív 2-csatornás (23,8 és 36,5 GHz) radiométer. Az MWS egy 60 cm-es, oldalra tekintő, paraboloid alakú antennát használ. A mikrohullámú szonda  az alsó-légkör 20 km vastag rétegének teljes vízgőztartalmát méri és eredményei pontosítják a tengerfelszín hőmérsékleti adatokat, valamint egy pontos troposzféra kiterjedés-korrekcióval segíti a radar magasságmérő tevékenységét.

A Nagypontosságú Távolságmérő - PRARE

A PRARE-t olyan műszerként kívánták üzemeltetni az ERS-1 műholdon, mellyel meg lehetett volna határozni a műholdpálya szabálytalanságait, valamint geodéziai méréseket végeztek volna a műszerrel. Ez az ígéretes műszer, bármilyen időjárási feltétel mellett, nagypontosságú helymeghatározásra lett volna képes, de a felbocsátás után a külső sugárzás tönkretette a RAM-ot (Random Access Memory). Ez azt jelenti, hogy az ERS-1 műholdról nem érkeztek PRARE jelek a műhold működési ideje alatt. A továbbfejlesztett PRARE változatot az ERS-2 műholdon helyezték el.

A Lézer Reflektor - LR

A lézer reflektor egy passzív optikai berendezés. A földi állomás lézerének jelét veri vissza a berendezés, így a műhold magassága pontosan meghatározható.

A Szélsébességmérő - WS

A WS segítségével mérhető a tenger felszíne felett fújó szél sebessége és iránya. A mérés nem közvetlen sebességmérés. A szél által kialakított hullámzás megváltoztatja a radarjel visszaverődését és ezt érzékeli a szenzor. Leegyszerűsítve a mérés elvét elmondható, hogy minél erősebben fúj a szél, annál nagyobb hullámok keletkeznek és ezzel együtt módosul a visszaverődés is. A három oldalra tekintő antenna (előre, középre és hátra) pásztázza az 500 km széles sávot. A szélsebesség vektorokat 25 km-es felbontásban adják meg, amelyeket az 50x50 km-es felbontási alapterület középpontjához rendelnek.

Az ERS-1 pályasajátosságai

Az ERS-1 napszinkron, közel-poláris, közel-cirkuláris pályán kering 785 km-es magasságban. A pálya inklináció szöge 98,5°.

Az ERS-1 működése alatt, 1991. július 17-től, a különböző kutatási igények-nek megfelelően többször változtatták a pályát. A felbocsátás utáni inicializálási fázisban 3-napos ismétlődésű, 785 km magas pályán (referencia pálya) keringett a műhold. Ebben az időszakban a műhold nagy gyakorisággal haladt át azok fölött a kijelölt kalibrációs helyek fölött, melyeknek ismert volt a pontos földrajzi fekvése és a mikrohullámú sugárzással kapcsolatos tulajdonságaik. Egy másik, hasonlóan 3-napos ciklus alatt vizsgálták a sarki jégtakarót a téli évszakban. A 3- napos ciklus hátránya a korlátozott globális lefedésű SAR képkészítés, valamint a radar magasságmérések egymáshoz képest távoli helyzete. A nagy gyakoriságú ismételt lefedést biztosító pálya a műhold teljes működési ideje alatt mindössze kétszer szerepelt a tervekben.

A műhold működési idejének nagyobbik részében 35-napos pályaismétlődési ciklus szerint üzemelt. Ebben a fázisban a SAR képek a teljes földfelszínt lefedik, a közepes és a magasabb szélességeken egy ciklus alatt kétszer is fedésbe kerülnek a területek. A 60° szélességen a radar magasságmérési sávok távolsága csak 39 km.

A 176-napos ciklus idején speciális feladatokat végzett a műhold. Ekkor történt az átlagos tengerfelszín és a Föld alakjának nagyobb gyakoriságú érzékelése a Radar Magasságmérővel. Az Radar Magasságmérő korlátozta a többi műszer egyidejű működését, ezért a fázis a működési idő végére került (geodéziai fázis). Két irányított érzékelési szakasz közötti időszakot a pályaátállítás folyamata kötötte le.

10.9. ábra - Az ERS-1 berendezések területfedései ^[101]

Az ERS-1 alkalmazási lehetőségei

Az óceánok elsődleges áramlásait a szél mozgatja, ezért a szélmezők, mint fő energiaforrások ismerete alapvető fontosságú. Az általános cirkulációban szerepet játszik a sókoncentráció, a tengerfenék topográfiája és a partvonalak futása. Az óce-áni cirkulációt leíró jelenlegi numerikus modellek képesek ugyan a főbb tulajdonságokat nagymértékben szimulálni, de tesztelésükre csak néhány területen, pl. a Golf-áramlásban és az USA parti sávjában került sor. Következésképpen ezek a modellek Golf-áramlás centrikusak és kevésbé pontosak a magasabb szélességek területén. A maximális sebességű áramlatok a Ny-i partvidékről indulnak, pl. a Golf-áramlás, melynek sebessége Floridánál 120 cm/s, míg más áramlásokban a víz sebessége tipikusan 20-30 cm/s. A nyugodt tengerfelszín magasságkülönbsége 100 km-es szélességben elérheti a 130 cm-t is. Ez a jelenség érzékelhető mind a magas-ságmérővel (RA) mind az infravörös radiométerrel (ATSR). Az óceánok felső 20–50 m-es rétegében jelentős emelkedések keletkeznek a változó szélrendszerek követ-keztében. Ez a réteg majdnem azonos az ún. hőtároló réteggel. Ebben a rétegben a hőátadást közvetlenül befolyásolja a szél és a különböző meteorológiai jelenségek, különösen a közepes és a magasabb szélességeken. Jelenleg a hőtároló réteg hőháztartását hajókon elhelyezett mélységi termométerekkel mérik. A felső vízréteg (0–200 m) hőmérsékletének 1 °C-kal történő emelkedésekor a vízoszlop magassága 5 cm-rel nő, ezért az ERS-1 magasságméréseiből a hőmérséklet változására lehet következtetni.

 + elsődleges felhasználás, (+) másodlagos felhasználás

Az óceáni áramlatok rendelkeznek széles spektrumú energetikai mozgásokkal, főként örvénylések formájában. Ezek általában néhány fokkal melegebbek vagy hidegebbek, mint az őket körülvevő óceán vize. Emiatt a tengerfelszín magassága 10–50 cm-rel változik az örvény keresztmetszetében, amit a magasságmérő már érzékelni tud.

Az óceán felszínének távolsága a Föld középpontjához viszonyítva nemcsak a hullámzás és az áramlás függvénye, hanem azt a Föld belső összetétele is módosítja. A belső összetétel változása módosítja a Föld gravitációs mezőjét és a változás a tenger felszínének domborzatában is jelentkezik. A magasságmérő adatainak segítsé-gével készített átlagos tengerfelszín topográfiai térkép a tengeri geoid térképe.

Az ERS-1 program folytatásaként 1995. április 21-én elindult az ERS-2 nevű műhold, mely kiépítésében szinte teljes egészében megegyezik elődjével. A műszerek finomodtak, és egy új műszer, a légkör kémiai összetételét vizsgáló GOME (Global Ozone Monitoring Experiment) nevű berendezés került a fedélzetre.

Az ERS-2 pályája napszinkron, közel-poláris, az inklináció 98,5° (retrográd pálya). A műhold leszálló pályán 10 óra 30 perckor halad át az Egyenlítő felett. A műholdpálya átlagos magassága 780 km. Mindkét ERS műhold keringési periódusa 35 napos, de egyes műszerekkel akár 3 naponta is felvételezhető ugyanaz a terület. A műholdakat közös tevékenységi idejük alatt úgy hangolták össze, hogy az ERS-2 egy nappal kövesse az ERS-1 műholdat.

A műhold energiaellátását két darab 5,8x2,4 m-es napelemszárny biztosítja (1 kW). A 66 perces megvilágított pályaszakaszon az elemek feltöltődnek, és biztosítják a műszerek energiaellátását a 34 perces árnyékos pályaszakaszon.

A műholdak 3-tengely mentén stabilizáltak. Az Y tengely mutat merőlegesen a Föld irányába.

Az ERS-2 tudományos berendezései

Az AMI (SAR berendezés) képalkotó és hullámmódban, valamint egy szél módban (szkatterométer) működik. Mindegyik módban az észlelés a másiktól függetlenül folyhat, de a vizsgálataik át is fedhetik egymást a szél/hullám módban.

Képalkotó módban nagyfelbontású kép készül 100 km-es területről. A nagyfelbontású mód mellett, egyéb képkészítő módban is üzemelhet az AMI. Egyedüli korlátozás, hogy egy pályán maximum 10 percre elegendő energiát termelnek a napelemek. Az adatok 100 Mbps sebességgel állnak elő, ezért fedélzeti tárolás nem lehetséges, a műhold ebben az üzemmódban csak a megfelelően felszerelt földi állomások adott körzetében tud működni.

Hullámmódban a felbontás 5x5 km, a lefedett terület szélessége 200 km. A viszonylag alacsony sebességű adatáram miatt fedélzeti tárolás és egyben globális fedés is lehetséges. Szélmódban 3 antenna sugároz jeleket a Föld irányába. A lefedett terület szélessége 500 km. ^[102]

Az ATSR, az ERS-1 műholdon elhelyezett berendezéshez hasonlóan, egy infravörös radiométert (IRR) és egy mikrohullámú radiométert (MWR) foglal magába. Az IRR a látható fény tartományába eső három új sávval egészült ki.

Az ATSR fő feladata a tengerfelszín hőmérsékletének mérése. Az 50x50 km-es területre átlagolt hőmérsékletmérés abszolút pontossága 0,5 °K-nál jobb, feltéte-lezve, hogy a felhőfedettség egy pixelnyi területen belül nem nagyobb 20 %-nál. Az infravörös tartományokat az 1,6, a 3,7, a 11 és a 12 µm-es hullámhossz jellemzi. A felbontás nadírban 1x1 km.

Az MWR berendezés két csatornán, 23,8 és 36,6 GHz-en működik, mindkét csatorna szélessége 400 MHz.

Az ERS-1 műholdon tönkrement PRARE nagypontosságú távolságmérő berendezés továbbfejlesztett változatát helyezték el az ERS-2 műholdon. A sugárzás-érzékeny RAM-ot sugárzástűrő memóriára cserélték és szoftvert is módosították, ezen kívül egy második PRARE berendezést is elhelyeztek az ERS-2 műholdon.

A 2-csatornás berendezés jeleket továbbít a földi állomásokra az S- (2,2 GHz) és az X-sávokban (8,5 GHz). Az állomások veszik a jeleket és mérik az egyszerre kibocsátott jelek késését, mely az ionoszférikus refrakció következménye. A demodulált jeleket visszasugározzák a műholdra, melyen a kétszeres út megtételéhez szükséges időt mérik. Ennek ismeretében a műhold távolsága számítható. Négy földi állomás és a műhold egyidejű mérésével a műhold pontos pozíciója kiszámítható (a mérési elv hasonló a GPS-es helymeghatározáshoz, ahol 4 műhold és 1 vevőállomás szükséges a vevő helyének meghatározásához.

A GOME egy hiperspektrális UV–látható fény–közeli infravörös spektrométer, melyek spektrális felbontása 0,2–0,4 nm a 0,240-0,790 µm-es hullámhossz-tartományban. A globális vizsgálat során vizsgált molekulák: O₃, NO (40 km felett), NO₂, H₂O, O₂/O₄, míg a részleges vizsgálatok során vagy, eseti méréseknél a SO₂, HCHO, OClO, ClO, NO₃ mennyiségét határozzák meg, valamint aeroszolok és sarki sztratoszférikus szelek vizsgálata is végezhető.