Sentinel 3 – Datové specifikace

Hlavní stránka / Uživatelská příručka / Sentinel 3 – Datové specifikace

Základní informace

Družice Sentinel 3 (obr. 1) poskytuje široké spektrum dat, především radarová a multispektrální data středního rozlišení. Tím navazuje především na data z družic Envisat a CryoSat 2 – nabízí prostorové rozlišení 300 – 500 metrů, výškovou přesnost radarových měření 3 cm a časové rozlišení v řádu dní pro dvě družice na oběžné dráze.

Hlavním cílem mise Sentinel 3 je měření topografie mořské hladiny, teploty a barvy mořské hladiny a zemského povrchu s vysokou přesností a spolehlivostí, vedoucí k podpoře oceánského předpovědního systému a lepšího monitorování životního prostředí a sledování klimatu.

Misi Sentinel 3 provozují společně ESA a EUMETSAT.

Obr. 1: Sentinel 3: Příprava na přesun na místo startu (vlevo) a vizualizace (vpravo), zdroj: ESA

Sentinel 3 nese na své palubě čtyři hlavní přístroje:

  • OLCI: Ocean and Land Colour Instrument
  • SLSTR: Sea and Land Surface Temperature Radiometer
  • SRAL: Synthetic Aperture Radar Altimeter
  • MWR: Microwave Radiometer

Ty jsou doplněny trojicí zařízení pro precizní určení polohy na oběžné dráze:

  • DORIS: Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite
  • GNSS: GPS přijímač, poskytuje precizní určení oběžné dráhy a sledování polohy více družic simultánně
  • LRR: přesné určení polohy družice na oběžné dráze použitím Laser Retro-Reflector systému

Obr. 2: Přístroje na palubě družice Sentinel 3, zdroj: ESA

SLSTR a OLCI jsou optické nástroje, umožňující datovou kontinuitu s přístroji družice Envisat – AATSR a MERIS. Pásy snímání těchto dvou přístrojů se navzájem překrývají a umožňují tím nové kombinace pro využívání dat. OLCI je obrazový spektrometr se středním rozlišením využívající 5 kamer pro široké zorné pole.

SRAL, DORIS, MWR a LRR jsou využívány pro topografické měření oceánu a vnitrozemských vodních těles. SRAL altimeter je hlavní topografický nástroj. MWR radiometr měří vypařování vody, obsah vody v oblacích a termální radiaci emitovanou Zemí.

Pozorování uskutečněné během mise jsou využívány ve spolupráci s dalšími misemi monitorujícími oceán k vytvoření globálního oceánského pozorovacího systému (Global Ocean Observing System, GOOS), jehož cílem je vytvořit permanentní systém monitorování oceánu.

Základní parametry čtyř přístrojů na palubě Sentinelu 3 shrnuje tab. 1.

 

OLCI
(Ocean and Land Colour Instrument)

SLSTR
(Sea and Land Surface Temperature Instrument)

SRAL
(Sentinel 3 Ku/C Radar Altimeter)

MWR
(MicroWave Radiometer)

Typ dat

optická

optická

radarová

mikrovlnná

Typ senzoru

multispektrální

multispektrální

dvoufrekvenční

dvoufrekvenční

Počet spektrálních /frekvenčních pásem

21 (400 – 1 020 nm)

9 (550 – 12 000 nm)

2 (Ku – 13 575 MHz,

C – 5410 MHz)

2 (23,8/36,5 GHz)

Prostorové rozlišení

300 m

500 m (VIS, SWIR),

1 km (MWIR, TIR)

300 m

 

Šířka záběru

1270 km

1675/750 km

   

Tab. 1:  Základní parametry přístrojů na palubě Sentinelu 3, zdroj: ESA

 

Tematické oblasti a služby

Numerické oceánské predikce
Předpovídání stavu atmosféry a oceánu. Přesnější předpovědi umožní ochranu lidí před následky extrémního počasí, jako jsou hurikány, bouře a záplavy.

Námořní bezpečnost a ochrana
Monitorování stavu oceánu pro ochranu a bezpečnost lodních pasažérů, monitorování znečištění a potenciálních teroristických akcí.

Monitorování pobřežních zón
Monitorování stavu a vlastností pobřežních vod pro podporu environmentálního monitorování kvality vody a událostí, jako je např. škodlivé rozšíření řas. Podpora analýz a managementu pobřežních vod.

Monitorování otevřeného oceánu a monitorování ledu
Monitorování zdraví a stavu oceánů v globálním měřítku, předpovídání podmínek jako stav mořské hladiny, mořského ledu a proudění oceánů na denní bázi a dopad fyzikálních podmínek na oceánskou biogeochemii.

Atmosférické služby
Poskytování vstupů do předpovědních modelů – např. teplota mořské hladiny, rychlost větru nad hladinou a stav moře.

Monitorování zemského povrchu
Poskytování informací o zemi prostřednictvím sledování parametrů jako krajinná pokrývka na regionální a kontinentální úrovni, stav vegetace, produktivita vegetace či výskyt a rozšíření požárů. Monitorování výšky hladin vodních toků a jezer a vytváření digitálních výškových modelů povrchu Země, které poskytnou nové informace pro hydrologické služby.

Politiky v oblasti životního prostředí
Podpora mezinárodních dohod (Kjótský protokol, Rámcová úmluva OSN o změně klimatu, Rámcová směrnice o vodě, Úmluva o biologické rozmanitosti, Strategie EU pro mořské prostředí) a poskytování dat o stavu oceánů, pobřežních oblastí a krajinném pokryvu.

Monitorování změny klimatu
Poskytování přesných, dlouhodobě konzistentních kvalitních dat potřebných pro monitorování a studium regulačních efektů oceánských procesů na klima. Analýza získaných dat také podporuje předpovědní aplikace.

Cíle mise Sentinel 3 lze shrnout do následujících bodů:

  • Měření teploty oceánu a zemského povrchu
  • Měření barvy oceánu
  • Monitorování topografie moří a pevninského ledu
  • Měření kvality mořské vody a znečištění
  • Monitorování vnitrozemských vodních ploch, včetně řek a jezer
  • Podpora oceánských předpovědí na základě získaných dat
  • Monitorování změn využití krajiny
  • Mapování zalesnění
  • Detekce požárů
  • Předpovědi počasí
  • Měření termální radiace Země pro atmosférické aplikace

Profil mise Sentinel 3

  • start družice Sentinel 3A: 16. února 2016
  • start družice Sentinel 3B: 2017
  • nosná raketa:
    • Sentinel 3A – Rockot, kosmodrom Pleseck (Rusko) 
    • Sentinel 3B – Vega
  • minimální životnost: 7 let, plánovaná 12 let
  • váha: 1,2 tuny
  • dráha: slunečně synchronní, výška 815 km, inklinace 98,65°
  • oblet: 27 dní (při jedné družici)

Geografické pokrytí

V návaznosti na přístroj AATSR družice Envisat je SLSTR kónický snímací obrazový radiometr snímající podél dráhy technikou "dual view". SLSTR poskytují datovou kontinuitu s předchozími misemi, avšak s významně lepší šířkou záběru (740 km v "dual view" a 1400 km v "single view").

Přístroj OLCI s technologií "push-broom" má šířku záběru 1270 km. Pás snímání nástroje OLCI není centrovaný v nadiru, ale je vychýlený 12,6° západně k potlačení znehodnocení snímků slunečním odleskem.

Altimetr SRAL nemá záběr snímání ve smyslu funkce OLCI a SLTSR nástrojů. SRAL provádí podél dráhy jedno měření vždy, když je emitován puls.

Obr. 3: Šířka záběru přístrojů družice Sentinel 3, zdroj: ESA

Úrovně zpracování dat

Data pořízená Sentinelem 3 mají celkem 3 úrovně zpracování (level 0, 1 a 2). Volně dostupná jsou data úrovní 1 a 2; výsledné produkty se liší podle jednotlivých přístrojů (viz obr. 2).

  • Level-0: Surová data v plném rozlišení (300 m)
  • Level-1: Data po radiometrické, geometrické a atmosférické korekci a kalibraci
  • Level-2: Tematické produkty generované pozemním segmentem Sentinelu 3 pro konkrétní aplikace (viz obr. 4)

Vedle standardních produktů budou navíc dostupné tzv. synergické produkty, které jsou kombinací snímků ze senzorů SLSTR a OLCI. Jedná se o 2 produkty úrovně 2 – odrazivost povrchu a informace o aerosolech zobrazené na 300 metrovém gridu snímků OLCI pro všechna pásma SLSTR i OLCI (mimo termálního a absorpčního pásma) a produkty navazující na snímky družice SPOT s parametry podobnými snímkům senzoru VEGETATION.

Obr. 4: Základní schéma produktů Sentinelu 3, zdroj: ESA

Obr. 5: Přehled produktů SENTINELU-3 úrovně 1 a 2 pro všechny senzory, zdroj: ESA

OLCIOcean and Land Colour Instrument

OLCI je obrazový spektrometr využívající technologii "push-broom", který měří sluneční radiaci odraženou od povrchu Země s prostorovým rozlišením 300 m v celkem 21 spektrálních kanálech. Šířka záběru je vychýlena 12,6° západně k potlačení znehodnocení snímku slunečními odlesky. Nástroj je navržen pro sběr dat nad zemským povrchem kdykoli jsou vhodné světelné podmínky. Široké zorné pole funkce 68,5 ° kolem nadiru pokrývá pás snímání se šířkou 1270 km.

Geofyzikální měření

Senzory pro získávání dat o barvě oceánu jsou navrženy k zachycení spektrální distribuce záření těsně nad hladinou moře, které je používáno pro odhad geofyzikálních parametrů aplikací specifických bio-optických algoritmů. Pro získávání takových dat musí mít přístroj extrémně citlivou a stabilní geometrii, kalibraci a větší množství spektrálních kanálů. Nástroj snímá v celkem 21 spektrálních pásmech v rozsahu od viditelného až po blízké infračervené záření (od 400 nm do 1020 nm). Nástroj OLCI má 100% překryv v páse snímání s nástrojem SLSTR.

Datové produkty

Je dostupných několik produktů přiřazených třem úrovním zpracování dat OLCI:

  • Level-0 je rekonstruovaný a časově vytříděný Instrument Source Packet (ISP) v plném časovém a prostorovém rozlišení. Všechny komunikační artefakty a neplatné pakety jsou odstraněny. Data OLCI jsou vždy snímány v plném prostorovém rozlišení (300 m).
  • Level-1 zahrnuje data po základní atmosférické korekci (Top-Of-Atmosphere), která jsou radiometricky opravena, kalibrována a spektrálně charakterizována. V produktu Level-1 je kontrolována kvalita, dochází k převodu na geografické souřadnice a popisu dat prostřednictvím informací o poloze družice či předběžné klasifikaci pixelů (např. vytvoření masky pro zemský povrch, vodu a oblačnost). Produkty jsou vytvářeny v plném prostorovém rozlišení (300 m) a v hrubším rozlišení (1 km) pro celý svět se stejným pokrytím.
  • Produkty úrovně Level-2 jsou již konkrétní produkty z dané oblasti –odvozené z dat produktu Level-1. Tyto produkty jsou vytvářeny zejména pro námořní aplikace a krajinné aplikace, generované samostatně pozemní části Sentinelu 3, přičemž každý produkt obsahuje parametr relevantní pro danou oblast nebo aplikaci.

OLCI Level-1 a Level-2 datové produkty jsou dostupné pro veřejnost. OLCI soubory jsou shromažďovány do SAFE "kontejnerů". Level-1 a level-2 produkty budou dostupné v samostatných produktových souborech netCDF.

Více informací o OLCI produktech naleznete v příručce Sentinelu-3 produktům Level-1 nebo Level-2.

Čas doručení produktů je závislý na konkrétní aplikaci:

  • Near Real-Time (NET) produkty jsou dostupné pro uživatele méně než 3 hodiny od získání dat senzorem
  • Non-Time Critical (NTC) produkty jsou dostupné nejpozději do 1 měsíce od získání dat senzorem nebo z dlouhodobých archivů

Produkty OLCI jsou dostupné ve dvou prostorových rozlišeních:

  • Full Resolution (FR): přibližně 300 m
  • Reduced Resolution (RR): přibližně 1,2 km

 

Konstelace

Přelet nad stejným místem na rovníku

(počet dní)

Přelet nad stejným místem na zeměpisné šířce > 30° (počet dní)

Barva oceánu

(pouze přes den)

1 družice

< 3,8

<2,8

2 družice

<1,9

<1,4

Barva zemského povrchu

(pouze přes den)

1 družice

< 2,2

<1,8

2 družice

< 1,1

<0,9

 

Tab. 2: Doba obletu nad stejným místem pro nástroj OLCI, zdroj: ESA

Obr. 6: Přístroj OLCI nesený družicí Sentinel 3 – doba obletu nad stejným místem při dvou družicích, červená barva – 2 dny jsou potřebné pro znovu navštívení na rovníku, modrá barva – méně než 0,5 dne pro znovu navštívení ve vyšší zeměpisné šířce, zdroj: ESA

Využití dat nástroje OLCI

Monitorování mořského prostředí

  • Monitorování mořského prostředí
  • Čisté primární odhady produkce Monitorování rozšíření řas a kvality vody
  • Monitorování "středně velkých" procesů
  • Rozšíření k 3D mořské biologiiSedimentační procesy

Monitorování krajiny

  • Vegetační indexy: podíl absorbovaného fotosynteticky aktivního slunečního záření FAPAR -– (Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation), index listové plochy (LAI – Leaf Area IndexOLCI Terrestrial Chlorophyll Index (OTCI)

Monitorování atmosféry

  • Složení atmosféry
  • Světelné podmínky
  • Monitorování klimatických změn

Obr. 7: Rozšíření řas v Barentsově moři (vlevo) a měsíční produkce chlorofylu (vpravo), zdroj: ESA

Obr. 8: Leaf Area Index (LAI) v globálním měřítku, zdroj: ESA

SLSTR – The Sea and Land Surface Temperature Radiometer

SLSTR je duálně snímající radiometr, jehož hlavním účelem je pořizování dat o teplotě mořské hladiny a zemského povrchu s velmi vysokou přesností (lepší než 0,3 K). Tato data jsou využitelná především pro klimatologické a meteorologické aplikace na globální i regionální úrovni.

Geofyzikální měření

Informace o povrchové teplotě mořské hladiny se získává pomocí velmi přesné kalibrace tří infračervených kanálů s vlnovými délkami 3,74, 10,84 a 10 µm (S7-S8-S9). Ty jsou použity pro korekce atmosférické absorpce vodní páry a pomocí snímání stejného pixelu na zemském povrchu ze dvou různých pásem pro korekce efektu aerosolů.

Je důležité zmínit, že při měření teploty hladinu oceánu přístrojem SLSTR  je teplota hladiny oceánu typicky o několik desetin stupně nižší než teplota několik centimetrů pod hladinou. S ohledem na omezenou propustnost termálního infračerveného záření přes vodní sloupec odpovídá teplota naměřená SLSTR teplotě několika desítek mikrometrů vrchní části hladiny, zatímco z oceánografického hlediska se povrchová teplota mořské hladiny rozumí jako teplota vrchních 10 cm vodního sloupce.

Povrchová teplota je radiační teplota povrchu odvozená od slunečního záření. Zjednodušeně znamená, jak teplý by byl zemský povrch na dotek v konkrétním místě. Z pohledu družice je "povrch" vše, co družice zaznamená na snímku při pohledu přes atmosféru na zemský povrch. Může to být sníh a led, tráva, střecha budovy nebo listy stromů. Teplota povrchu není stejný parametr jako teplota vzduchu. Pro SLSTR se teplotou povrchu ("skin temperature") rozumí teplota vrchní části povrchu v podmínkách holé půdy a efektivně vyzařované teploty korunou lesního porostu.

SLSTR také zahrnuje dvě infračervená pásma pro získávání dat o aktivních požárech.

Datové produkty

Pro uživatele jsou dostupné celkem 4 produkty, s výjimkou produktu Level-2 WCT:

  • Level-1B – výstup zpracování SLSTR Level-1 produktu, poskytuje data o radiační a jasové teplotě pro každý pixel v gridu, každý pohled a každý kanál snímku SLSTR včetně popisných údajů přiřazených k pixelům.
  • Level-2 WCT produkt obsahuje informace o teplotě hladiny moře pro single a duální pohled, pro 2 nebo 3 kanály. Není dostupný uživatelům.
  • Level-2 WST produkt obsahuje informace o teplotě hladiny moře L2P
  • Level-2 LST a FRP produkty poskytují data o teplotě zemského povrchu a požárech.

Více informací o produktech SLSTR naleznete v příručce Sentinelu-3 Level-1 produkty nebo Level-2 produkty.

Produkty SLSTR (data úrovní Level-1B a Level-2, popisy a pomocné datové sady) jsou vytvářeny samostatně ve dvou pohledech nástroje a ve dvou rozlišeních, v závislosti na optickém kanálu:

  • rozlišení 500 m pro kanály ve viditelném a krátkovlnném infračerveném spektru
  • rozlišení 1 km pro termální infračervené kanály

Kanály viditelného a krátkovlnného infračerveného záření (SWIR) S1-S6 jsou snímány v rozlišení 500 m. Modré elementy detektoru jsou implementovány ve všech 6 kanálech, zatímco zelené elementy jsou dostupné v kanálech S4-S6 (obr. 9). Termální infračervené kanály S7-S9, F1 a F2 jsou snímány v rozlišení 1 km. Žluté elementy detektoru jsou dostupné pro kanály S7-S9 a F1, červené elementy je využíván pouze pro kanál F1 (obr. 9).

Obr. 9: Konfigurace detektoru SLSTR s rozlišením 500 m pro kanály S1-S6 (vlevo) a detektoru s rozlišením 1km pro kanály S7-S9 a F1, F2 (vpravo), zdroj: ESA

Geografické pokrytí

SLSTR využívá dva nezávislé snímací řetězce, každý zahrnuje separátní skenovací zrcadlo. Taková konfigurace zvyšuje šířku záběru a pokrytí snímané oblasti:

  • Šikmé snímaní: ~ 740 km
  • Snímaní v nadiru: ~ 1 400 km

Obr. 10: SLSTR – geometrie snímání a šířka záběru přístroje, zdroj: ESA

Oblet nad toutéž oblastí při duálním pohledu přístroje SLSTR je dosaženo za 1,8 dne na rovníku (při jedné družici), nebo 0,9 dne (při konstelaci dvou družic), avšak doba znovunavštívení se zkracuje ve vyšších zeměpisných šířkách kvůli orbitální konvergenci.

 

Konstelace

Oblet nad stejným místem na rovníku

(počet dní)

Oblet nad stejným místem na zeměpisné šířce > 30° (počet dní)

SLSTR při využití duálního pohledu (den a noc)

1 družice

< 1,8

< 1,5

2 družice

< 0,9

< 0,8

Tab. 3: Doba obletu nad stejným místem pro nástroj SLSTR, zdroj: ESA

Obr. 11: Doba obletu nad stejným místem s konstelací dvou družic, zdroj: ESA

Využití dat SLSTR

Monitorování mořského prostředí

  • Teplota hladiny moře
  • Teplota mořského ledu
  • Klima
  • Numerické modelování
  • Analýzy "středně velkých" procesů

Obr. 12: Noční snímek z  AATSR – teplota pevniny a moře, zdroj: ESA

Monitorování krajiny

  • Teplota zemského povrchu
  • Lokace požárů a síla vyzařování ohně
  • Vegetační

Obr. 13: Data z družice MODIS -teplota zemského povrchu (únor 2000 - srpen 2012), zdroj: ESA, NASA

Monitorování atmosféry

  • Monitorování změny klimatu

Synergické produkty

Přístroje OLCI a SLSTR společně poskytují tzv. produkty SYN, umožňující kontinuitu s produktem družice SPOT VEGETATION. Hlavním cílem produktů SYN je monitorování využití území, ale poskytuje např. i data o bezpečnosti potravin a přispívá ke studiu klimatu.

Obr. 14: Produkt SPOT VEGETATION, zdroj: ESA, SPOT VEGETATION project

Existuje 5 hlavních produktů SYN:

  • Level-1 produkt (SY_1_SYN) jako výstup zpracování na úrovni SYN Level-1C. Level-1 produkt poskytuje, pro všechny kanály OLCI a SLSTR, Level-1B záření v gridu (v geometrii, v níž byly získány) a k nim přiřazené popisy. Level-1C produkty nejsou dostupné uživatelům.
  • Čtyři produkty Level-2:
  • Odrazivost povrchu a parametry aerosolů nad pevninou (SY_2_SYN)
  • Level-2 produkty navazující na SPOT:
  • Top-Of-Atmosphere odrazivost (SY_2_VGP)
  • Kompozit maximální hodnoty NDVI zachycené v rozsahu 1 nebo 10 dní (SYN_2_VG1 - SYN_2_V10)

Obr. 15: Produktové schéma produktů Synergy, zdroj: ESA

Prostorové rozlišení

SYN Level-1 produkt, taky nazývaný Synergy produkt, je výsledkem synergického zpracování produktů OLCI Level-1B FR a SLSTR Level-1B, získaných z příslušejících OLCI a SLSTR měření.

Radiometrická měření SYN Level-1 jsou odvozené z plného rozlišení OLCI Level-1B (~ 300 m) a SLSTR Level-1B produktů (500 m pro S1-S6 a 1000 m pro S7-S8 a F1-F2). Z těchto měření není vytvořen konkrétní výstupní grid, ale pro každý kanál OLCI a SLSTR je vytvořen grid v geometrii, v níž byl pořízen.

Na úrovni Level-2 je provedeno převzorkování do specifického, uživatelem definovaného gridu, přičemž se berou v úvahu chyby při registraci snímku a geolokalizační informace upravené podle digitálního výškového modelu (DEM), zahrnuté v produktu SYN Level-1.

VGP Level-2 produkty jsou dostupné v regulérním gridu se zeměpisnou šířkou a délkou, se vzorkováním na rovníku 1 km.

Geografické pokrytí

Protože produkty SYN jsou odvozené z dat OLCI Level-1B a SLSTR-1B (včetně šikmého pohledu a pohledu z nadiru), šířka záběru SYN koresponduje se společnou částí pásů snímání OLCI a SLSTR "nadir" pohledu pro denní část orbitu Sentinelu 3.

Ve výsledku jsou šikmý pohled a pohled z nadiru SLSTR, které nejsou pokryty přístrojem OLCI, následně odstraněny oříznutím snímků.

Obr. 16: OLCI a SLSTR pokrytí snímání a geometrie vzorkování, modrou barvou šikmý pohled (740 km) a pohled z nadiru (1400 km) přístroje SLSTR, červenou přístroj OLCI (1270 km), zdroj: ESA

Využití dat SYNERGY

Monitorování pevniny a bezpečnost

SYN produkt je podobný produktem SPOT VEGETATION (odrazivost TOA a produkty NDVI). To umožňuje kontinuální pokračování sérií NVDI, zavedené družicemi SPOT VEGEGATION. Systém SPOT VEGETATION podporuje sledování potravinové bezpečnosti a úrody prostřednictvím snímání vegetace v prostorovém rozlišení 1 km a v kontinentálních měřítkách.

Pro monitorování úrody a potravinové bezpečnosti je nejužitečnějším produktem Sentinelu 3 index NVDI. Stejně jako v případě SPOT VEGETATION je tento parametr používán k detekci zhoršování vegetačních podmínek a identifikace potenciálního rizika sucha (viz obr. níže).

Obr. 17: Vegetation Condition Index – SPOT VEGETATION, zdroj: ESA, JRC

Obr. 18: Stav vegetace monitorovaný pomocí indexu NDVI – SPOT VEGETATION, zdroj: ESA, JRC

Monitorování změny klimatu
Podpora monitorování změny klimatu je zajištěna produkty SYN S1 a SYN S10.

SRAL – Synthetic Aperture Radar Altimeter

Hlavním cílem topografické mise Sentinel 3 je výzkum oceánské topografie včetně střední hladiny moře, výšky vln, rychlosti větru nad hladinou, mořského ledu, oceánských proudů, Kelvin a Rossby vln, vírů, přílivů a odlivů.

Geofyzikální parametry

Geofyzikální parametry měřeny topografickou misí Sentinel 3 jsou:

  • Výška hladiny moře
  • Výška mořských vln
  • Rychlost větru nad hladinou oceánu

Cílem mise Sentinel 3 je poskytovat měření po dobu 20 let prostřednictvím robustní a stabilní technologie altimetrie, která je ověřena několika předchozími misemi ESA. Minimální základní výkonnost altimetrie by měla být stejná jako u družic Envisat a CryoSat. Oběžná dráha družic Sentinel 3 je téměř stejná jako u Envisatu, umožňuje tedy kontinuitu časové řady ERS/Envisat.

Režimy snímání

Existují dva hlavní provozní režimy mise:

  • Režim nízkého rozlišení
  • Režim vysokého rozlišení, běžně nazývaný Synthetic Aperture Radar (SAR)

Režim nízkého rozlišení využívá konvenční provoz altimetru s omezeným množstvím pulsů, který používaly i družice ERS a Envisat. Tento režim je využíván zejména nad otevřeným oceánem, kde je topografie homogenní, nad oblastmi velkými alespoň jako stopa antény (anthena footprint).

Režim SAR je navržen pro dosažení vysokého rozlišení podél dráhy nad relativně plochým terénem. Tato vlastnost může být využita k nárůstu počtu nezávislých měření nad danou oblastí a je předpokladem pro měření tloušťky mořského ledu, pobřežních vod, okrajů ledových ker a vnitrozemských vod.

Obr. 19: Režimy snímání přístroje SRAL Altimetry, zdroj: ESA

Datové produkty

Jsou dostupné různé produkty příslušející třem úrovním zpracování altimetrických dat:

  • Level-0 (L0) jsou surová telemetrická data, geolokalizovaná a datovaná
  • Level-1 (L1) jsou Level-0 data opravená o vliv přístroje
  • Level-2 (L2) jsou Level-1 data opravená o geofyzikálních vlivy

Produkty úrovně Level-2 jsou dostupné pro uživatele. Level-0 a Level-1 produkty jsou považovány pouze za vstup k zpracování produktu Level-2 a dostupné nejsou.

Level-2 SRAL/MWR kompletní produkt obsahuje 3 datové soubory:

  • "reduced" (RED) datový soubor, obsahující podmnožinu hlavních parametrů 1 Hz Ku kanálu
  • "standard" (STD) datový soubor obsahuje standardní 1 Hz a 20 Hz Ku a C-band parametry
  • "enhanced (ENH) datový soubor obsahuje standardní 1 Hz a 20 Hz Ku a C-band parametry, průběhy vln a parametry potřebné ke zpracování dat (alespoň v režimu LRM)

SRAL/MWR Level-2 produkty jsou vytvářeny ve standardním formátu SAFE (Standard Archive Format for Europe). Všechny informace relevantní k produktu se nacházejí v jednom svazku. Zde uložené objekty obsahující naměřená data jsou kódovány ve formátu netCDF.

K vizualizaci a správě produktů Levelu-2 je využíván nástroj ESA BRAT.

Datové produkty jsou dostupné v různých časových horizontech:

  • Near Real-Time (NET): dostupné méně než 3 hodiny od pořízení dat
  • Slow Time Critical (STC): dostupné do 48 hodin od pořízení dat
  • Non-Time Critical (NTC): dostupné obvykle do 1 měsíce od pořízení dat

Základní princip altimetrie

Družice s altimetrií jsou schopné měřit vzdálenost mezi družicí a povrchem Země. Tato vzdálenost se nazývá rozsah (range). Družice s přístrojem měřícím altimetrii vysílají radarový signál k Zemi. Tento signál je odražený povrchem Země a družice zachycuje tento odražený signál. Doba, která uplyne mezi vysláním radarového signálu a jeho zpětným zachycením, je klíčovým parametrem pro výpočet vzdálenosti družice od povrchu. U Sentinelu 3 přístroj SRAL měří uplynulý čas.

 Pro výpočet rozsahu je třeba přesná znalost nadmořské výšky oběžné dráhy – tou se rozumí vzdálenost mezi družicí a zvolené referenční plochy (referenční elipsoid nebo geoid). Tuto výšku určují přístroje GNSS a DORIS nesené družicí Sentinel 3.

Vědecká komunita se častěji než o výšku vzhledem k pozici družice zajímá o výšku povrchu s ohledem na tuto referenční plochu (referenční elipsoid nebo geoid). Výška povrchu může být přibližně odvozená z rozsahu a nadmořské výšky pomocí následujícího vztahu:

Výška povrchu = nadmořská výška - rozsah

Ke kompletnímu výpočtu výše povrchu by měly být zahrnuty všechny korekce o přírodní vlivy, např. geofyzikální korekce (příliv a odliv) nebo atmosférické korekce šíření signálu (ionosféra a troposféra).

 

 

Obr. 20: Měření výšky povrchu, nadmořské výšky a rozsahu, zdroj: ESA

Aplikace dat SRAL/MWR

 Oceánografie

Tři hlavní oblasti využití dat v oceánografii jsou:

  • Cirkulace oceánu ve velkých měřítkách: výzkum oceánských proudů na globální hladině moře ("Mean Dynamic Topography" mapy zobrazují oceánský terén korespondující k permanentní oceánské cirkulaci)
  • Cirkulace ve středních měřítkách: výzkum mořských proudů
  • Příliv a odliv: vzhledem ke kombinovanému vlivu Slunce a Měsíce mají vliv na některé významné změny v úrovni hladiny moře.

Topografická mise Sentinelu 3 bude poskytovat mapy v rozlišení 100 km (mapy velkého měřítka) každých 10 dní s přesností 1-2 cm a mapy s rozlišením 25 km (mapy střední měřítka) každých 7 dní s přesností 2 cm.

Obr. 21: Cirkulace oceánu ve velkých měřítkách - Mean Dynamic Topography (cm), šipky se proporčně vážou k rychlosti proudění, zdroj: ESA, CLS

Pobřežní oblasti

Altimetrie nad otevřenými oceány je plně rozvinutá disciplína využívaná pro výzkum procesů a předpovědi počasí. V pobřežních zónách (pás území do vzdálenosti 10 km od pobřeží) jsou data často vyřazena, protože není známo jakým způsobem interpretovat nebo modelovat efekty znehodnocení vlivem výskytu pevniny na průběh/tvar altimetrických vln.

Přístroj SRAL přináší lepší rozlišení podél dráhy (cca 250 m) v režimu SAR, čímž usnadnil měření výšky hladiny v blízkosti pobřeží. Přístroj SRAL bude v pobřežních zónách snímat v režimu SAR. Produkty Level-2 SRAL/MWR budou mít parametr indikující vzdálenost od pobřeží.

Obr. 22: Modifikace tvaru vlny (červená) v blízkosti pobřeží, které ztěžuje odhad odvozených veličin, zdroj: ESA

Ledovce a mořský led

Misí ESA zaměřenou na monitorování změn v tloušťce mořského ledu plovoucího v polárním oceánu a tloušťce ledovců pokrývajících Grónsko a Antarktidu je CryoSat. Mise Sentinel 3 bude v monitorování započatém touto misí pokračovat.

Přístroj SRAL bude nad okraji ledovců snímat v režimu SAR Open Loop, nad oblastmi mořského ledu v režimu SAR Closed Loop a nad vnitrozemskými ledovci v režimu LRM. Produkty Level-2 SRAL/MWR budou mít tři zaměřené výstupy na ledovcové kry, ledovce a mořský led.

Obr. 23: Tloušťka mořského ledu v Arktickém oceánu (v metrech, vlevo) a tloušťka antarktických ledovců (vpravo), zdroj: ESA/CPOM/UCL

Vnitrozemské vody a pevnina

Potřeba rozumět zdrojům pitné vody v globálním měřítku zvýšila využití dat radarové altimetrie pro měření řek a vodní hladiny jezer. Výhodami altimetrických měření jsou kontinuita, globální pokrytí a přesnost dostupných měření. Level-2 SRAL/MWR produkt má mít atribut popisující, zda se jedná o data pro uzavřené moře nebo jezera.

 

Detailní a přesné digitální modely terénu jsou ve vědě široce využívány. Tato data získaná odvozením z naměřených pozemních nebo leteckých dat byla historicky dostupná pouze v regionálním měřítku. Data z družicové altimetrie mohou být použity k odvození digitálních modelů terénu a budou využívány ve službách programu Copernicus.

Klima

Hlavním využitím dat Sentinelu 3 ve vztahu ke změně klimatu je určení nárůstu střední hladiny moře v důsledku globálního oteplování. V důsledku oteplování oceánu moře expandují a jich hladina roste. Tání horských ledovců a ledových ker vede taktéž k nárůstu hladiny moře. Rostoucí objem sladké vody proudící do oceánů snižuje salinitu, hustotu mořské vody a ovlivňuje cirkulaci oceánských proudů, což zpětně ovlivňuje prostorovou variabilitu hladiny moře. Globální střední hladina oceánu slouží jako indikátor změny klimatu. Precizní monitorování změn ve střední hladině oceánu je mimořádně potřebné pro pochopení klimatických procesů.

Obr. 24: ACE2 Digitální model terénu, zdroj: ESA/DMU

Obr. 25: Regionální trend střední hladiny moře od října 1992 do dubna 2012, zdroj: ESA/CNES/LEGOS/CLS

Geodézie a geofyzika

Topografická mise Sentinel 3 může být užitečná pro výzkum tvaru Země, gravitačních anomálií nebo reliéfu mořského dna.

Měření družicové altimetrie, v kombinaci s měřeními hloubky mořského dna, mohou být použita k vytvoření mapy jednotného rozlišení topografie mořského dna. Tyto mapy nemají dostatečnou přesnost a rozlišení pro navigaci, ale jsou užitečné pro rozmanité aplikace, jako je lokalizace překážek velkých oceánských proudů a lokalizace mělkých podmořských hor s bohatým podmořským životem.

Obr. 26: Geofyzikální informace získané z altimetrických měření, zdroj: ESA/University of Calgary

Datové formáty

Formát netCDF je extrémně flexibilní a sebe-popisující. Byl přijat jako faktický standard pro mnohé operační oceánografické systémy.

Obr. 27: Logický model – produkt SRAL/MWR Level-2, zdroj: ESA

Obr. 28: Fyzický model – produkt SRAL/MWR Level-2, zdroj: ESA

Pravidla distribuce dat

Pro podporu plného využití dat z družic Sentinel, vědeckého výzkumu, růstu trhu pozorování Země a vytváření pracovních příležitostí jsou data Sentinel volně dostupné na základě následujících principů:

  • K datům Sentinel má přístup každýbez rozdílu mezi veřejností, komerčním nebo vědeckým využitím nebo mezi evropskými a neevropskými uživateli.
  • Licence pro využití dat Sentinel jsou volně dostupné.
  • Data z družic Sentineljsou dostupná uživatelům prostřednictvím "generického" online přístupu, bez poplatků, na základě uživatelské registrace a akceptování podmínek využití.
  • Další režimy přístupu pro doplňkové produkty budou přizpůsobeny specifickým potřebám uživatelů a budou odpovídat přizpůsobeným podmínkám.

V případě používání bezpečnostních omezení, které ovlivňují dostupnost a včasnou dostupnost dat Sentinel, budou aplikovány specifické operační postupy.

Přístup k datům

Data z družic Sentinel jsou díky volné a otevřené datové politice programu Copernicus systematicky a zdarma zpřístupňována všem kategoriím uživatelů. Existují dva různé přístupy k datům:

Program pro práci s daty

Pro zpracování a základní analýzu dat Sentinelu 3 byl přímo vyvinut tzv. Sentinel 3 toolbox.

Toolbox Sentinel-3 nabízí vizualizační, analytické a procesní nástroje pro zpracování dat z nástrojů OLCI a SLSTR. Toolbox také podporuje zpracování dat misí Envisat (MERIS a AATSR), ERS (ATSR), SMOS a misí třetích stran jako MODIS (Aqua a Terra), Landsat (TM), ALOS (AVNIR a PRISM) a jiné. Různé nástroje mohou být ovládán přes intuitivní desktop aplikaci nebo přes příkazový řádek. Toolbox rovněž podporuje vývoj doplňků v jazycích Java nebo Python.

Toolbox je postupně upravován o další funkcionality; po každé úpravě je jeho nová verze zveřejněna. Toolbox obsahuje rozhraní pro přístup k velkému množství dat v podobě cloudové platformy, čímž umožňuje velkoobjemová zpracování pomocí požadovaného algoritmu.  Veškeré nástroje pro zpracování dat Sentinel jsou v souladu s otevřenou datovou politikou programu Copernicus poskytována bezplatně. Více informací včetně možnosti stažení toolboxu naleznete zde.

Pro zpracování altimetrických dat z nástroje SRAL je navržen toolbox BRAT (Basic Radar Altimetry Toolbox). Umožňuje čtení, zpracování a vizualizaci altimetrických dat. BRAT je také schopen číst nejvíce rozšířená radarová altimetrická data z misí ERS-1 a ERS-2 (ESA), TOPEX/POSEIDON (NASA/CNES), GEOS Follow-On (US Navy), JASON-1 (CNES/NASA), Envisat (ESA), CryoSat (ESA) a JASON- 2 (CNES/NASA/EUMETSAT/NOAA). 

 

 

 Komplexní přehled o družici SENTINEL-3, jejích přístrojích a pořizovaných datech naleznete na webovém portálu ESA nebo v on-line uživatelské příručce na stránkách ESA.