Краткий, экономически и технически обоснованный план сети малых обсерваторий для мониторинга Солнца и раннего предупреждения о корональных массоотбрасываниях (CME).
1) Цели и требования
- Обнаружение и верификация CME и сильных вспышек, оценка направления и скорости, оперативное предупреждение службам (латентность оповещения для принимающих мер: <$5$ минут после детекции; прямое in‑situ предупреждение о потоке плазмы — максимум возможного времени предупреждения $\sim$ L1→Земля).
- Точность прогноза времени прихода CME: погрешность <$12$ часов для оперативных решений.
2) Архитектура сети (оптимальное минимальное решение)
- Вершины сети:
- L1: один основной спутник с in‑situ датчиками + коронографом (реальное‑временное измерение солнечного ветра, магнитного поля; раннее предупреждение $\sim$ час до удара для типичных скоростей).
- L5 (трейлинг или ведущая позиция под углом $\sim 60^{\circ }$ к Земле): минимум один спутник для стереоскопической визуализации, оптимально — два (L4 и L5) для полной стерео‑покрытия направления CME.
- Дополнение: резервный/резервные спутники в гелиоцентрической орбите около 1 AU (вдоль орбиты Земли, небольшое смещение) для стойкости и замены.
- Итоговое число спутников: рекомендуемая конфигурация $N=3$ (L1 + L5 + резерв) минимально; оптимальная отказоустойчивая сеть $N=5$ (L1 + L4 + L5 + 1 резерв + 1 наземный/реле‑спутник).
3) Орбиты и их роль
- L1 ($\sim 1.5\times 10^6$ km солнечно‑стороннее): in‑situ мониторинг плазмы и магнитного поля; обеспечивает предупреждение перед ударом плазмы в среднем
$$t=\frac{d}{v},d=1.5\times 10^6\text{km},$$ для $v=400\text{km/s}$ даёт $t\approx 1.04\text{часа}$.
- L4/L5 (гелиоцентрические положения на $\pm 60^{\circ }$ от Земли): стерео‑наблюдение короны и дисковой активности, оценка направления CME и их 3D‑кинематики за ≫ суток до прихода, улучшение прогноза направления и энергии удара.
- Гелиоцентрические следящие орбиты на $\sim 1$ AU (слегка ведущие/требующие) для дополнительного бокового обзора и резервирования.
- Избегать низкоорбитальных (LEO) платформ для основных инструментов — частые затмения и земной фон снижают полезность; LEO можно использовать как дешёвые реле/тестовые миссии.
4) Набор инструментов (минимальный и рекомендуемый)
- Обязательные (для каждого основного узла):
- Коронаграф (коронограф/occulting telescope) — видимость CME в белом свете, поле обзора до $\sim 30R_{\odot }$.
- EUV‑имажер (несколько каналов, например $\lambda$ $193$ Å и $304$ Å) — локализация источников CME и вспышек.
- Магнитометр векторный (офсет от корпуса, чувствительность $\le 1$ nT для in‑situ).
- Плазменные детекторы: электроны/ионы (энергетический диапазон до нескольких сотен keV), либо простой Faraday cup для скорости/плотности.
- Радиодетектор для Type II/III радиовсплесков (индикатор ударных волн/энергетических электронов).
- Рекомендуемые дополнения:
- Ультракомпактный векторный фотомагнитограф (если масса/мощность позволяют) для улучшения корональных магнитных карт.
- Оптическая/лазерная межспутниковая связь на L1/L5 для высоких скоростей передачи.
- Масштаб платформы: микро‑/малыe спутники массой $\sim 50$–$200$ kg (или кубсаты 12U–27U для упрощённых наборов).
5) Связь, пропускная способность и задержки
- Требуемые данные: EUV кадры каждые $\sim 1$–$5$ минут; коронограф каждые $\sim 5$–$10$ минут; in‑situ данные с частотой от $1$ Hz до $100$ Hz для магн‑/физ. событий.
- Примерный объём данных на спутник в сутки: EUV ($\sim 4$ MB кадр × $288$ кадров) $\approx 1.15$ GB; коронограф ($\sim 2$ MB кадр × $144$) $\approx 0.29$ GB; плюс телеметрия → суммарно $\sim 2$ GB/сутки.
- Необходимая усреднённая полоса обратного канала: при передаче всех данных в реальном времени — $\sim 5$–$20$ Mbps на спутник (вариативно с сжатием и выборочной передачей).
- Архитектура передачи: прямой DTE (direct‑to‑Earth) + коммерческие сети наземных приёмных станций (например KSAT, AWS Ground Station) + оптика между спутниками и/или реле в GEO для непрерывности; альтернативно — использование национальных глубококосмических сетей (DSN/ESA ESTRACK) для L1.
- Целевая латентность предупреждения: изображения/детекции обрабатываются автоматически на борту или приёме; цель — оповещение служб в $\le 5$ минут после детекции.
6) Обработка данных и модели прогнозирования
- На борту: предварительная фильтрация и детекция (классные события, пороги радиопомех); сжатие изображений и приоритетная передача критичных кадров.
- На земле/в облаке: автоматическое выявление CME (коронограмма), стерео‑трекинг (tie‑pointing / triangulation), модель kinematic/drag‑based arrival time (DBM) + MHD/ensemble для уточнения; выдача вероятностного прогноза: ARRIVAL_TIME ± UNCERTAINTY, ожидаемая скорость и магнитное поле (Bz) оценка.
- Внедрить ML‑модули для быстрой классификации и уменьшения ложных тревог.
7) Надёжность, резервирование, развитие
- Дублирование ключевых функций: L1 обязательный + резерв; L4/L5 парность для отказоустойчивости.
- Быстрая замена/массовое производство одинаковых платформ (унифицированный автобус) снижает стоимость спаривания/запуска.
- Регулярные обновления ПО и рецепты калибровки через OTA.
8) Экономика (оценка стоимости, упрощённо)
- Стоимость одного микро‑/малышка со стандартным набором инструментов: $\$10\text{M}$–$\$30\text{M}$ в зависимости от инструментов и масштаба.
- Запуски (рейдшеры) на каждый спутник: в среднем $\$2\text{M}$–$\$8\text{M}$ на пуск (снижается при массовых запусках).
- НЗС/операции/наземная инфраструктура/разработка ПО: единоразово $\sim \$10\text{M}$–$\$30\text{M}$, операционные расходы $\sim \$2\text{M}$–$\$6\text{M}$/год.
- Итоговая примерная стоимость жизненного цикла сети $N=5$: порядка $\$80\text{M}$–$\$200\text{M}$ на $\sim 5$ лет (включая разработку, запуски, наземную инфраструктуру и операции). Точная цифра зависит от выбранного набора приборов и контрактов на запуски.
9) Поэтапный план реализации (рекомендация)
- Фаза 0: $6$–$12$ месяцев — анализ требований, выбор приборов, прототипы.
- Фаза 1: $18$–$24$ месяца — разработка и сборка первого блока (L1), тесты, испытания.
- Фаза 2: $12$ месяцев — запуск L1, ввод в эксплуатацию, проверка цепочки оповещения.
- Фаза 3: $12$–$24$ месяца — запуск L4/L5 и резервных спутников, развертывание обработки и интеграция с потребителями (метеослужбы, операторы энергосетей).
- Параллельно: отработка автоматических алгоритмов и интеграция с наземными службами оповещения.
10) Ключевые технические риски и меры по их снижению
- Точность определения Bz (магнитного поля CME) удалёнными средствами ограничена — снижение риска через in‑situ измерения (L1) и вероятностные прогнозы.
- Ограниченная полоса — приоритетная передача событий, сжатие, межспутниковые оптические каналы.
- Странги света для коронографа — использование проверенных концепций (Baffles, external occulter) и калибровок.
Вывод: экономически эффективная сеть строится на комбинации одного L1‑узла с in‑situ и коронографом + по крайней мере одного стерео‑узла в положении L5 (оптимально L4+L5) с использованием микро‑/малыx спутников и коммерческих наземных станций. Это даёт оперативное in‑situ предупреждение порядка $\sim 1$ часа и стереоскопическую раннюю детекцию CME за дни с точностью прогноза до размеров, полезных для служб раннего оповещения.