Технология изучения перемещения животных и птиц на земле с помощью аппаратуры ICARUS на Российском сегменте МКС

С 2010 г. действует научное соглашение о сотрудничестве, объединяющее российский эксперимент «Ураган» [1] с германским проектом ICARUS (International Cooperation for Animal Research Using Space — «Международное сотрудничество в области научных исследований животных с использованием космических технологий») [2]. С учетом данного соглашения Федеральное космическое агентство (Роскосмос), РКК «Энергия» и ИГ РАН совместно с Германским центром авиации и космонавтики ( DLR ), Институтом орнитологии Макса Планка и немецкой компанией СпейсТех проводят работу по запуску на Российский сегмент Международной космической станции (РС МКС) научной аппаратуры (НА) ICARUS и проведению совместных исследований. В ноябре 2014 г. было подписано Соглашение между Роскосмосом и DLR о реализации данного проекта на российском сегменте МКС. Доставка НА ICARUS на РС МКС и начало исследований планируются на 2016 г.

Основными задачами эксперимента с НА ICARUS являются:

• •    экспериментальная отработка НА на борту РС МКС для дальнейшего использования на автоматических космических аппаратах;

• •    отработка наземного оборудования и улучшение его характеристик в части уменьшения массы передатчика и увеличения мощности сигнала;

• •    исследование и получение данных о глобальной миграции животных и птиц;

• •    определение путей миграций потенциальных переносчиков инфекции для отработки глобальной системы предотвращения распространения заболеваний;

• •    исследования перемещения птиц и животных для мониторинга экологической ситуации и предупреждения катастрофических явлений на планете;

• •    определение путей миграции птиц для обеспечения безопасности воздушного движения и др.

В настоящее время еще не существует технической системы передачи информации от устройств слежения, установленных на мелких животных, через спутниковую линию связи из любой точки на земной поверхности. Размещение НА ICARUS на РС МКС будет первым опытом по созданию такой системы.

Изучение передвижения животных из космоса представляет большой интерес для ученых, занимающихся исследованием мигрирующих видов. Использование НА ICARUS на РС МКС позволит понять основные механизмы и способы перемещения птиц во время миграций и определить влияние на них различных факторов окружающей среды.

Антропогенная деятельность нередко приводит к созданию новых условий, являющихся благоприятными для существования одних видов живых организмов и неблагоприятными для других. Изучение поведения и перемещения животных в результате изменения условий их обитания и количества пищевых ресурсов поможет в целом оценить экологическую ситуацию на планете, а также сохранить биоразнообразие и защитить виды, находящиеся под угрозой исчезновения.

Реализация экспериментов с НА ICARUS на РС МКС позволит исследовать влияние изменений климата на стабильность миграционных путей и выяснить места миграционных остановок птиц — дальних мигрантов, зимующих в тропических районах Африки и Азии и гнездящихся на территории европейских стран. Размещение НА ICARUS на РС МКС позволит отслеживать перемещение птиц на индивидуальном уровне по всему пути миграции и на местах остановок. Такая информация необходима для изучения уязвимости этих видов к климатическим изменениям во всем их ареале, а также для оценки влияния смены мест зимовок и миграционных путей на эпидемиологическую обстановку.

Миграции диких животных, являющихся переносчиками заболеваний, представляют серьезную угрозу здоровью населения. Лучшее понимание механизмов и путей миграций потенциальных переносчиков инфекций облегчит глобальный прогноз распространения заболеваний и улучшит систему их предотвращения.

Птицы и животные чутко реагируют на изменение условий своего обитания. По данным многих литературных источников, некоторые из них могут предчувствовать природные катастрофические явления. Исследования необычного поведения и перемещений животных перед катастрофами позволят создать систему наблюдения за биопредвестниками и выявлять катастрофические процессы на самой ранней стадии развития с целью их дальнейшего предупреждения и снижения возможного ущерба [3].

Кроме того, миграции птиц часто оказывают негативное воздействие на безопасность движения воздушных судов, особенно вокруг аэропортов и на малых высотах полета летательных аппаратов. Лучшее знание путей миграции птиц поможет повысить уровень безопасности воздушного движения [3].

Таким образом, реализация экспериментов с НА ICARUS на РС МКС является весьма актуальным и перспективным проектом, имеющим большую научную и практическую значимость.

Методы изучения перемещения животных

Изучение миграций животных сталкивается со следующими трудностями:

• •    пути миграций некоторых животных имеют протяженность в сотни и даже тысячи

километров и пролегают через несколько стран или континентов;

• •    миграционные трассы животных могут проходить как на больших высотах (птицы), так и глубоко под водой (рыбы, черепахи);

• •    некоторые животные перемещаются в ночное время суток (летучие мыши, птицы);

• •    многие мигранты отличаются небольшими размерами и большой мобильностью;

• •    отлов, обработка и мечение животных в большинстве стран строго регламентируется местными и государственными законами, которые исследователи должны знать, соблюдать и получать все необходимые разрешительные документы и лицензии;

• •    изучение миграций животных на дальние расстояния связано с большими затратами.

Значительный шаг в исследовании миграций животных сделал датский учитель Х. Мортенсен в 1899 г., впервые окольцевавший скворцов цинковыми пластинками [3]. В России аналогичные работы начались в 1907 г. До 1916 г. во всей Российской Империи, от Балтики до Дальнего Востока, было окольцовано 8 746 птиц [4].

До сегодняшнего дня кольцевание совместно с повторным наблюдением и отловом продолжает оставаться одним из самых эффективных и недорогих методов изучения миграций животных на большие расстояния. Однако, эти методы позволяют выявить, в основном, начальные и конечные пункты путей миграций и не дают возможности полностью отследить передвижения животных на протяжении всего пути.

Для получения более частых и регулярных данных о местоположении животных применяются более дорогие методы: радиотелеметрия (радиослежение) и спутниковая телеметрия (спутниковое слежение). Они позволяют определять маршруты перемещения животных по территориям, размер которых варьируется от нескольких сотен метров до нескольких тысяч километров.

Метод радиослежения успешно используется с 1960-х гг. по настоящее время для изучения маршрутов перемещения животных на расстояния от нескольких сотен метров до 10 км [2, 3] и более [5].

Суть метода заключается в следующем. К животному прикрепляется радиопередатчик (тег), испускающий электромагнитный сигнал на ультракоротковолновой частоте. Приемное устройство, настроенное на ту же частоту, что и передатчик, при помощи направленной антенны принимает радиосигнал и определяет направление, откуда он исходит. Сигнал можно отслеживать как с Земли, так и с самолета, и осуществлять это как вручную, так и с помощью автоматизированных устройств — нескольких связанных между собой антенн и устройства обработки полученной информации, вычисляющего положение радиопередатчика по сигналу, приходящему от той или иной антенны. При радиослежении дополнительно можно получать данные о температуре тела животного, его пульсе и т. п.

К достоинствам метода, помимо более частых и регулярных данных о местоположении животных по сравнению с методами мечения, повторного наблюдения и отлова, можно отнести небольшую массу тега, устанавливаемого на животное — менее одного грамма (минимальная масса около 170 мг [6]). Такие радиопередатчики можно закреплять не только на крупных и мелких животных, но даже на насекомых, например, стрекозах, шмелях [7], бабочках [8] и пчелах [9].

К недостаткам радиотелеметрии следует отнести сложности с отслеживанием большого количества мигрирующих животных на значительные расстояния. Большая чувствительность радиотелеметрической аппаратуры к помехам (электромагнитным, атмосферным и др.) и высокая зависимость интенсивности принимаемого сигнала от расстояния значительно снижают возможности использования данного метода. Для получения точных данных необходимо, чтобы тег находился максимально близко к приемному устройству. Это вынуждает дополнительно использовать воздушное транспортное средство, чтобы следовать за объектами в течение длительного периода времени. Наблюдение с поверхности Земли снижает точность измерений вследствие наличия на пути радиосигнала многочисленных помех и препятствий в виде деревьев, гор и т. п. Кроме этого, к недостатку метода следует отнести его дороговизну.

Единственным надежным подходом к слежению за животными с гарантированным глобальным охватом и постоянным контролем является использование спутниковой телеметрии.

В 1970-е гг. получение телеметрии от крупных животных стало возможным с помощью спутников системы NIMBUS , а затем — ARGOS (Advanced Research and Global Observation Satellite) , представляющей собой самую распространенную на сегодняшний день систему спутникового слежения [10].

Масса передатчиков была более килограмма, и их использование было ограничено только очень крупными животными, такими как киты или белые медведи. В 1990-е гг. этот метод впервые был использован в России при реализации российско-американского проекта слежения за белыми медведями на Аляске и Чукотке [11]. В настоящее время спутниковые передатчики используются в России для слежения за крупными видами редких млекопитающих (тигр, леопард, белый медведь, морж, белуха) и птиц (сапсан, стерх). Более широкое использование данного оборудования в России ограничено высокой стоимостью передатчика и сложностью его обслуживания.

Оборудование французской системы ARGOS размещено и функционирует на шести космических аппаратах — американских NOAA -15, NOAA -18, NOAA -19, европейских METOP-A, METOP-B и индийско-французском SARAL , имеющих высоту 850 км над Землей. Каждый из этих аппаратов принимает данные со спутниковых передатчиков PTT (Platform Terminal Transmitter) , закрепленных на животных, находящихся в зоне видимости радиусом 2 500 км. После этого полученная информация передается сети наземных станций, состоящей более чем из 50 информационных центров, где подвергается определенной обработке. Окончательные данные поступают пользователям по сети Интернет.

Местоположение животного, на котором закреплен передатчик ARGOS , определяется по Доплеровскому сдвигу частоты радиосигнала. Находясь в зоне видимости, спутник принимает сообщения от передатчика, выполняя измерения частоты в диапазоне 401,62…401,68 МГц, на которой они поступают. Частота радиосигнала зависит от скорости движения космического аппарата относительно PTT .

Точность определения положения передатчиков РТТ составляет 250…1 500 м. В случае, когда такой точности в определении местоположения объекта недостаточно, в составе РТТ приходится использовать GPS -приемники, которые повышают ее значения до 10…100 м.

Сегодня самые легкие спутниковые передатчики PTT ARGOS весят 5…22 г, в зависимости от наличия в них GPS -приемника. При добавлении GSM -элемента, который, связываясь с Глобальной системой мобильной связи, может также передавать данные о местоположении животного прямо на телефон исследователю, масса передатчика увеличивается и становится более 32 г.

Масса передатчика не должна превышать 2…3% от массы тела животного, а в случае мелких видов (<50 г) она может быть увеличена до 3…5%. Таким образом, пятиграммовые теги ARGOS можно устанавливать на животных, весящих около 200 г, а 22-граммовые передатчики с GPS -приемником — на животных весом ~900 г. Если взять, например, все виды птиц, количество которых составляет ~10 000, то с помощью пятиграммовых тегов можно отследить 1 500 видов, в случае 22-граммовых их количество составит всего ~500 [8]. На рис. 1

представлен график распределения животных (птиц) всего мира по массе тела с возможностью их отслеживания с помощью существующих тегов.

О 2 4 8 16 32 64 256 1 012 16 384 65 536

Масса тела, г (log2 масштаб)

Рис. 1. График распределения животных (птиц) всего мира по массе тела с возможностью их отслеживания с помощью существующих тегов: 1 — радиопередатчики; 2 — геологгеры (0,5 г); 3 — архивные спутниковые логгеры (2,5 г); 4 — передатчики по Доплеру (5 г); 5 — передатчики GPS (22 г); 6 — передатчики GPS + GSM (32 г)

Таким образом, к достоинствам метода спутникового слежения следует отнести:

• •    глобальный охват;

• •    получение частых и регулярных данных о местоположении животных;

• •    более точное определение координат объектов по сравнению с радиослежением;

• •    возможность отслеживания большого количества мигрирующих видов одновременно;

• •    отсутствие необходимости постоянно следовать за мигрантами.

К недостаткам можно отнести дороговизну метода и отсутствие возможности отслеживать все виды животных вследствие недостаточно малой массы радиопередатчиков и их относительно большого энергопотребления. Преимущества спутникового слежения перед всеми остальными методами изучения миграций животных очевидны, однако существующие ограничения тормозят развитие работ в этом направлении.

Космические экспериментыс научной аппаратурой ICARUS на РС МКС

Проект ICARUS направлен на создание системы, способной отслеживать из космоса миниатюрные передатчики массой менее пяти граммов, закрепленные на мелких животных. Предполагается, что новая система не заменит уже существующую — ARGOS , а, наоборот, дополнит ее.

Вначале технология слежения за мелкими животными будет отработана на РС МКС.

Пилотируемая орбитальная станция является идеальной платформой для отработки подобной аппаратуры и технологии ее использования. Ежегодно к МКС стартует четыре транспортных корабля (ТК) «Союз» и пять транспортных грузовых кораблей (ТГК) «Прогресс». Это позволяет оперативно доставлять исследовательскую аппаратуру, вспомогательное оборудование, расходные материалы и, при необходимости, запасные части аппаратуры на борт станции. Экипаж РС МКС, состоящий из трех космонавтов, регулярно осуществляет выходы в открытый космос. Во время выполнения такой операции антенны НА ICARUS будут установлены на корпусе служебного модуля РС МКС. Существующие бортовые служебные системы РС МКС и наземная инфраструктура позволят осуществлять управление НА ICARUS , контролировать ее состояние и получать данные о перемещении животных. В случае необходимости, с помощью имеющейся транспортной системы и экипажа станции могут быть в процессе полета уточнены и изменены характеристики используемого оборудования, т. е. РС МКС выступает в роли исследовательской лаборатории для отработки новой перспективной технологии изучения миграции животных и птиц.

Реализация отрабатываемой на МКС технологии слежения за гораздо меньшими по массе животными, нежели те, которых в настоящее время может отследить система ARGOS , внесет весомый вклад в следующее:

• •    исследование перемещений и миграций животных;

• •    понимание опасности глобального распространения инфекционных заболеваний, передающихся в результате взаимодействия человека и животных-мигрантов;

• •    изучение поведения диких животных в меняющихся условиях окружающей среды;

• •    сохранение биоразнообразия и защиту видов, находящихся под угрозой исчезновения;

• •    создание системы раннего оповещения о стихийных бедствиях на основе биопредвестников;

• •    отслеживание и прогнозирование присутствия птиц в районах аэродромов с целью повышения безопасности полетов;

• •    выявление тенденций к распространению (экспансии) видов и т. д.

Кроме того, проект позволит решить следующие технические проблемы:

• •    глобальное покрытие тегами земной поверхности для записи треков миграций мелких животных на дальние расстояния;

• •    одновременная связь спутника с множеством передатчиков, закрепленных на животных;

• •    малая масса и размер тегов, позволяющих отслеживать перемещения мелких животных;

• •    продолжительная эксплуатация радиопередатчиков без необходимости их технического обслуживания для отслеживания полного цикла миграций;

• •    запись внутренних (физиологических) и внешних (окружающей среды) параметров, важных при изучении миграций животных.

Схема проведения и передачи измерений в экспериментах с НА ICARUS представлена на рис. 2. После отработки НА на борту орбитальной станции планируется создание системы специализированных спутников, оснащенных НА ICARUS .

Рис. 2. Схема проведения экспериментов с научной аппаратурой ICARUS: 1 — восходящая и нисходящая линии связи РС МКС и наземного сегмента; 2 — восходящая и нисходящая линии связи МКС с тегами; 3 — линия связи тега с РС МКС и переносной базовой станцией; 4 — линия связи системы GPS; 5 — линии связи при передаче полученных данных; 6 — передача вручную данных от переносной станции

Для проведения экспериментов с НА ICARUS создаются космический и наземный сегменты.

В состав космического сегмента входит бортовое оборудование, находящееся на РС МКС и включающее в себя электронный блок, приемную и передающую антенны.

В состав наземного сегмента входят:

• •    теги, прикрепленные к животным — устройства, собирающие научные данные и выполняющие их предварительную обработку;

• •    переносные базовые станции, обеспечивающие считывание данных с тегов в полевых условиях;

• •    центр данных пользователя — часть Операционного центра ICARUS , координирующая поток и обработку данных пользователя;

• •    банк данных Movebank , предназначенный для хранения данных о перемещении отдельных животных;

• •    наземное вспомогательное оборудование, обеспечивающее проверку рабочего оборудования наземного сегмента ICARUS перед установкой.

Элементы космического сегмента используются в качестве ретранслятора для радиочастотных линий связи между тегами и Центром управления. Передатчики, закрепленные на животных, определяют свое местоположение регулярно через внутренний приемник GPS , обеспечивая тем самым возможность записи трека тега с высокой точностью. Двусторонняя связь через радиочастотную линию связи с элементами космического сегмента обеспечивает командное управление передатчиком и считывание с него данных.

Операционный центр осуществляет контроль и анализ функционирования бортового оборудования, он является территориально распределенным и будет функционировать в Германии и России, обеспечивая постоянное взаимодействие между Институтом орнитологии Макса Планка, фирмой СпейсТех, ИГ РАН и РКК «Энергия». Кроме того, этот Центр отвечает за обработку и распространение данных среди научной общественности посредством банка данных Movebank .

В качестве дополнения к возможностям космической линии связи, пользователь может осуществлять связь с тегами, используя портативные базовые радиостанции.

Теги системы ICARUS

Главной технической задачей эксперимента с НА ICARUS является передача небольших пакетов данных между тегом, закрепленном на животном, и приемником на МКС. При этом миниатюрный передатчик должен позволять связываться с бортовым оборудованием ICARUS на расстоянии до 800 км для измерения через регулярные промежутки времени своего абсолютного положения при помощи GPS -приемника и получения измеряемых значений температур и ускорения, дающих представление о поведении животного. При этом масса тега составляет менее 5 г. Для решения этой сложной задачи в теге применяется интегральная схема специального назначения ASIC (application-specific integrated circuit) , выполняющая основные функции передатчика. ASIC оптимизирована под низкое энергопотребление, основными потребителями энергии в ней являются система радиочастотной связи и GPS . Срок службы тега составляет не менее девяти месяцев. На рис. 3 представлен общий вид передатчика и основных его элементов.

Рис. 3. Общий вид тега и основных его элементов: 1 — корпус; 2 — батарея; 3 — антенна; 4 — солнечные батареи; 5 — электронная плата; 6 — крепление

Основные технические характеристики передатчика:

Масса, г                                   <5;

Размер, мм                       <25×15×5;

Длина антенны, мм                     60;

Датчики        GPS-приемник, акселерометр, датчик температуры;

Определение местоположения    GPS /ГЛОНАСС /( Galileo );

Интервал определения местоположения, ч         1 (регулируемый);

Мощность батареи, мВт20;

Площадь солнечных батарей, см22;

Эффективность солнечных батарей, %>35;

Мощность солнечных батарей, мВт90;

Мощность передатчика, мВт50;

Срок службы конструкции тега, мес.>9;

Внешний интерфейс:       последовательная синхронная шина IIC (Inter-Integrated Circuit).

Интеграция бортового оборудования