Способ определения альбедо земли

Способ определения альбедо земли

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано для определения и контроля интегральных параметров лучистого теплообмена планеты, вокруг которой обращается космический аппарат (КА).

Солнечное излучение, поступающее к Земле, отражается от ее поверхности, от облаков, рассеивается атмосферой. Альбедо поверхности Земли - это отношение потока излучения, отраженного этой поверхностью в окружающее пространство, к потоку, упавшему на нее (см. [1]-[4]).

При теоретическом расчете значения альбедо Земли может приниматься, что оптические характеристики Земли такие же, как и у однородной диффузно отражающей поверхности с коэффициентом отражения 0,34 (см. [2], стр.273). Определение альбедо Земли также может быть выполнено по средним метеорологическим данным и с использованием данных о сезонном и географическом распределении полной облачности и отражательных способностях различных видов облаков и подстилающей поверхности (см. [3], стр.49-50). Получаемая таким образом средняя расчетная величина альбедо Земли оценивается равной 0,35 (см. [3], стр.47).

Называемым «классическим» способом определения величины альбедо Земли является регистрация так называемого «пепельного света Луны», т.е. измерение яркости освещения Землей тех ее участков, которые не освещены Солнцем. Измеренное таким образом альбедо оказывается в пределах между 32 и 52% (см. [3], стр.50).

Планетарные и сезонные характеристики альбедо могут определяться путем приближенных расчетов по распределению метеорологических элементов (см. [4]), например, по следующей зависимости (см. [3], стр.50):

где A_s - альбедо системы «земная поверхность-атмосфера»;

A_n - альбедо земной поверхности;

А_a - альбедо безоблачной атмосферы;

A_об - альбедо облачности;

- альбедо слоя атмосферы выше облаков;

n_об - степень облачности.

Как видно из вышеизложенного, вопрос о точном определении альбедо Земли далек от окончательного решения. Используемые в расчетах модели имеют ограниченную точность, что не позволяет получить абсолютно достоверные данные о текущем значении альбедо Земли и его географическом распределении.

Известен способ определения альбедо [5], принятый за прототип, относящийся к неразрушающим методам контроля интегральных параметров лучистого теплообмена мобильных и стационарных объектов окружающей среды. Суть способа заключается в следующем. При определении альбедо ограниченного фрагмента объекта, содержащего характерную для данного объекта отражающую поверхность и не менее одного инородного включения, исследуемому фрагменту и/или инородному включению искусственно придают круговую форму или форму не менее чем одного кольца, над центром круга или кольца размещают последовательно не менее чем на двух выбранных высотах прибор с чувствительным к измеряемой радиации датчиком и производят измерения по крайней мере отраженной радиации с каждой из высот, а значения истинного альбедо определяют по приведенным в [5] формулам для различных вариантов образования исследуемого фрагмента. Данный способ позволяет исключить или максимально нейтрализовать искажающее влияние, привносимое от неорганизованного фона.

Сложность применения данного способа для определения альбедо Земли из космического пространства обусловлена тем, что для его применения необходимо дополнительно разместить на КА прибор с чувствительным к измеряемой радиации датчиком и выполнять дорогостоящие операции маневрирования КА, а также выполнять специальную подготовку исследуемой отражающей поверхности.

Задачей, стоящей перед предлагаемым способом, является определение альбедо Земли со снабженного солнечными батареями (СБ) орбитального КА без выполнения дорогостоящих операций по размещению на КА дополнительных приборов и маневрированию КА.

Технический результат достигается тем, что в способе определения альбедо Земли, включающем последовательное размещение над отражающей поверхностью не менее чем в двух пространственных положениях чувствительной к регистрируемой радиации аппаратуры и определение значения альбедо по расчетным формулам, дополнительно определяют моменты нахождения Солнца в зенитной области над снабженным двумя или более солнечными батареями космическим аппаратом, движущимся по околокруговой орбите вокруг Земли, и в момент прохождения подсолнечной точки витка орбиты при нахождении Солнца в зенитной области над космическим аппаратом разворачивают первую солнечную батарею в рабочее положение, соответствующее совмещению нормали к ее рабочей поверхности с направлением на Солнце, а другую солнечную батарею разворачивают в положение, соответствующее совмещению нормали к ее рабочей поверхности с противосолнечным направлением, измеряют значения тока от каждой солнечной батареи и определяют значение альбедо Земли А по формуле

А=(KI₂-K₂I₁)/(I₁-KK₁I₂),

где I_{1, 2} - значения тока от солнечных батарей, нормали к рабочим поверхностям которых совмещены соответственно с направлением на Солнце и с противосолнечным направлением, измеренные в момент прохождения подсолнечной точки витка орбиты;

К - заданный коэффициент выходной мощности рабочей поверхности панели первой солнечной батареи относительно выходной мощности рабочей поверхности панели второй солнечной батареи;

K₁ - заданный коэффициент выходной мощности тыльной поверхности панели первой солнечной батареи относительно выходной мощности ее рабочей поверхности;

K₂ - заданный коэффициент выходной мощности тыльной поверхности панели второй солнечной батареи относительно выходной мощности ее рабочей поверхности.

Суть предлагаемого изобретения поясняется на фиг.1 и 2, на которых представлено: на фиг.1 - схема освещения СБ солнечным и отраженным от Земли излучением; на фиг.2 - блок-схема реализующей предложенный способ системы.

На фиг.1 введены обозначения:

Z - Земля;

О - центр Земли;

S - вектор направления на Солнце;

L - орбита КА;

N₁ - нормаль к рабочей поверхности первой СБ, совмещенная с направлением на Солнце;

N₂ - нормаль к рабочей поверхности второй СБ, совмещенная с противосолнечным направлением;

P_s - поток солнечного излучения;

P_о - поток отраженного от Земли излучения;

R_s - подсолнечная точка текущего витка орбиты КА;

B_s - подспутниковая точка на момент прохождения подсолнечной точки текущего витка орбиты КА.

Поясним предложенные в способе действия.

В предлагаемом техническом решении используется тот факт, что энергия отраженного от Земли излучения, сосредоточенная в спектральном диапазоне области чувствительности солнечных элементов СБ КА, воспринимается СБ КА для генерации дополнительной электрической энергии. При этом в отличие от представленного прототипа, в котором для регистрации уровня радиации используется датчик, непосредственно измеряющий величину радиации, в предлагаемом техническом решении определение альбедо осуществляется по величине тока, генерируемого СБ КА, - параметру, не являющемуся непосредственной характеристикой регистрируемой радиации. Таким образом, измеряется не непосредственно искомый уровень радиации, а дополнительный, вновь привлекаемый для решения данной задачи параметр - величина тока, генерируемого СБ КА под ее воздействием.

Рассматриваем витки, на которых в моменты прохождения КА подсолнечной точки Солнце располагается в зенитной области над КА (зенитная область над КА рассматривается относительно земной поверхности - направление в зенит соответствует направлению по радиус-вектору КА). Расположение Солнца в зенитной области над КА соответствует выполнению условия, когда угол между направлением на Солнце и направлением радиус-вектора КА не превышает заданного значения, близкого к нулю и определяющегося как точностью измерения данного угла, так и предъявляемыми целевыми требованиями.

При расположении Солнца в зенитной области над КА поступающие на КА потоки излучения - поток солнечного излучения P_s и поток отраженного от Земли излучения Р_о - направлены противоположно.

Как правило в полете СБ КА ориентируются нормалью к рабочей поверхности СБ по направлению на Солнце. В предложенном способе в момент прохождения подсолнечной точки витка орбиты при нахождении Солнца в зенитной области над КА разворачивают первую СБ в рабочее положение, соответствующее совмещению нормали к ее рабочей поверхности с направлением на Солнце (N₁=S), а вторую СБ разворачивают в положение, соответствующее совмещению нормали к ее рабочей поверхности с противосолнечным направлением (N₂=-S).

В момент прохождения КА подсолнечной точки витка орбиты КА на рабочую поверхность панели первой СБ поступает поток солнечного излучения P_s (угол его падения, отсчитываемый от нормали к плоскости рабочей поверхности СБ, - угол между N₁ и -P_s - равен 0°), а на тыльную поверхность панели первой СБ поступает поток отраженного от Земли излучения Р_o (угол его падения, отсчитываемый от нормали к плоскости тыльной поверхности СБ, - угол между -N₁ и -Р_о - также равен 0°). Обозначим измеренное значение тока от первой СБ как I₁.

В то же время на рабочую поверхность панели второй СБ поступает поток отраженного излучения Р_o, а на тыльную поверхность панели второй СБ поступает поток солнечного излучения P_s. Обозначим измеренное значение тока от второй СБ как I₂.

Наряду с этим известно, что эффективное значение плотности потока солнечного излучения, поступающего на поверхность СБ, также как и ток, вырабатываемый СБ, пропорциональны косинусу угла падения излучения, отсчитываемого от нормали к плоскости СБ (см. [2], стр.57; [6], стр.109) (в рассматриваемом случае углы падения излучения на поверхности СБ равны нулю).

С учетом изложенного альбедо Земли А определяется соотношением

Поскольку излучение, используемое СБ для генерации тока, пропорционально току, генерируемому СБ, то

где I_oi, i=1, 2 - ток, вырабатываемый рабочей поверхностью панели первой (i=1) и второй (i=2) СБ под воздействием отраженного от Земли излучения - при ее ориентации перпендикулярно потоку Р_о (нормаль к рабочей поверхности панели СБ противоположна направлению вектора Р_о),

I_si, i=1, 2 - ток, вырабатываемый рабочей поверхностью панели первой (i=1) и второй (i=2) СБ под воздействием прямого солнечного излучения - при ее ориентации перпендикулярно потоку P_s (нормаль к рабочей поверхности панели СБ противоположна направлению вектора P_s).

В случае, когда СБ КА выполнены односторонними с выходной мощностью тыльной поверхности панелей СБ, равной нулю, величины токов I₁ и I₂ равны следующим значениям:

где К - коэффициент выходной мощности рабочей поверхности панели первой СБ относительно выходной мощности рабочей поверхности панели второй СБ, являющийся заданной технической характеристикой СБ.

С учетом (2)-(3) соотношение для определения А принимает вид

После подстановки (4)-(5) в (6) получаем

Теперь рассмотрим случай двусторонних СБ и СБ с положительной выходной мощностью их тыльной поверхности (например, у панелей СБ МКС, ТК «Прогресс», «Союз», формально не являющихся двухсторонними, выходная мощность их тыльной поверхности не обнулена и составляет 25% от выходной мощности их рабочей поверхности).

В этом случае значения токов I₁ и I₂, генерируемых под воздействием излучения, поступающего на рабочие и тыльные поверхности панелей первой и второй СБ, составляют

где K₁ - коэффициент выходной мощности тыльной поверхности панели первой СБ относительно выходной мощности ее рабочей поверхности;

К₂ - коэффициент выходной мощности тыльной поверхности панели второй СБ относительно выходной мощности ее рабочей поверхности.

Коэффициенты K₁, К₂ являются заданными техническими характеристиками СБ.

Умножим (8) и (9) на соответственно I₂/I_s1 и I₁/I_s2 и подставим вместо I_o1 полученное из (6) выражение

В итоге получим систему двух уравнений с равными левыми частями

Умножим первое уравнение (11) на К и подставим в него соотношение I_s1=KI_s2. После чего, приравняв правые части уравнений системы, получим уравнение

Решив полученное уравнение относительно А, получим

Формулы (7) и (13) при K₁=K₂=0 совпадают, поэтому соотношение (13) является обобщающей формулой для определения альбедо Земли по данной методике.

Отметим, что предложенный способ применим к КА с двумя или более СБ. При использовании способа СБ КА можно произвольным образом разбивать на две группы и использовать каждую из групп СБ как одну СБ.

На фиг.2, представляющей блок-схему реализации данного способа, обозначено:

1 - блок определения моментов нахождения Солнца в зенитной области над КА (БОМНСЗО);

2 - блок управления системой энергоснабжения (БУСЭС);

3 - система энергоснабжения (СЭС);

4 - блок вычисления (БВ).

Система работает следующим образом.

В исходном состоянии по командам от БУСЭС (2) СЭС (3) осуществляет ориентацию СБ КА нормалью к рабочей поверхности СБ на Солнце.

В блоке БОМНСЗО (1) определяются моменты нахождения Солнца в зенитной области над КА на текущем витке орбиты КА и данная информация передается в БУСЭС (2). По данной информации БУСЭС (2) формирует и передает в СЭС (3) команды, по которым СЭС (3) осуществляет разворот первой СБ в положение, при котором нормаль к рабочей поверхности первой СБ совмещается с направлением на Солнце, и разворот второй СБ в положение, при котором нормаль к рабочей поверхности второй СБ совмещается с противосолнечным направлением.

Измерения тока, генерируемого первой и второй СБ в моменты нахождения Солнца в зенитной области над КА, в виде значений I₁ и I₂ из СЭС (3) поступают в БВ (4). В БВ (4) по формуле (13) вычисляется значение альбедо Земли А.

БОМНСЗО (1) и БВ (4) могут быть выполнены на базе датчиков и аппаратуры Системы управления движением и навигации (СУДН) и бортовой цифровой вычислительной системы (БЦВС) КА (см. [7], [8]). БУСЭС (2) и СЭС (3) могут быть выполнены на базе элементов СЭС КА (см. [9], [10]).

Опишем технический эффект предлагаемых изобретений.

Предлагаемое техническое решение позволяет удешевить определение альбедо Земли с орбитального снабженного СБ КА, а именно выполнить определение текущего значения альбедо Земли с орбитального КА без выполнения дорогостоящих и сложных операций по размещению на КА дополнительного измерительного оборудования, маневрирования КА и специальной подготовки исследуемой поверхности.

Отметим, что для интерпретации и дальнейшего использования полученных значений альбедо необходимо фиксировать метеорологические условия над подстилающей поверхностью (в частности, величину и характер облачности) и навигационные данные КА (в частности, высоту орбиты, с которой было определено значение альбедо).

Технический результат достигается за счет определения текущего значения альбедо Земли по измеренным значениям тока от двух СБ КА, движущегося по околокруговой орбите вокруг Земли, развернутых в предложенные положения в предложенный момент времени, с использованием предложенной формулы для вычислений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дмитриев А.А. К вопросу о методике изучения отражательных свойств земной поверхности. Метеорология и гидрология. - 1952, №12.

2. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей. М.: Энергоатомиздат, 1983.

3. Крошкин М.Г. Физико-технические основы космических исследований. - М.: Машиностроение, 1969.

4. Кондратьев К.Я. Актинометрия. - М.: Гидрометеоиздат, 1965.

5. Селиванов С.Н. Способ определения альбедо. Заявка на изобретение №98114243/28 от 1998.08.04.

6. Грилихес В.А., Орлов П.П., Попов Л.Б. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984.

7. Система управлением движением и навигации КА. Техническое описание. 300ГК.12Ю. 0000-АТО. РКК «Энергия», 1998.

8. Инженерный справочник по космической технике. Изд-во МО ССР, М., 1969.

9. Ковтун B.C., Соловьев С.В., Заикин С.В., Городецкий А.А. Способ управления положением солнечных батарей космического аппарата и система для его осуществления. Описание изобретения к патенту РФ №2242408 по заявке 2003108114/11 от 24.03.2003.

10. Система электроснабжения КА. Техническое описание. 300ГК.20Ю. 0000-АТО. РКК «Энергия», 1998.

Способ определения альбедо Земли, включающий последовательное размещение над отражающей поверхностью не менее чем в двух пространственных положениях чувствительной к регистрируемой радиации аппаратуры и определение значения альбедо по расчетным формулам, отличающийся тем, что дополнительно определяют моменты нахождения Солнца в зенитной области над снабженным двумя или более солнечными батареями космическим аппаратом, движущимся по околокруговой орбите вокруг Земли, и в момент прохождения подсолнечной точки витка орбиты при нахождении Солнца в зенитной области над космическим аппаратом разворачивают первую солнечную батарею в рабочее положение, соответствующее совмещению нормали к ее рабочей поверхности с направлением на Солнце, а другую солнечную батарею разворачивают в положение, соответствующее совмещению нормали к ее рабочей поверхности с противосолнечным направлением, измеряют значения тока от каждой солнечной батареи и определяют значение альбедо Земли А по формулеA=(KI₂-K₂I₁)/(I₁KK₁I₂),где I_1,2 - измеренные значения тока от солнечных батарей, нормали к рабочим поверхностям которых совмещены соответственно с направлением на Солнце и с противосолнечным направлением;K - заданный коэффициент выходной мощности рабочей поверхности панели первой солнечной батареи относительно выходной мощности рабочей поверхности панели второй солнечной батареи;K₁ - заданный коэффициент выходной мощности тыльной поверхности панели первой солнечной батареи относительно выходной мощности ее рабочей поверхности;K₂ - заданный коэффициент выходной мощности тыльной поверхности панели второй солнечной батареи относительно выходной мощности ее рабочей поверхности.