Способ определения альбедо земной поверхности в подспутниковых точках орбиты космического аппарата (варианты)

Изобретения относятся к космической технике, используемой в интересах геофизики для определения и контроля интегральных параметров лучистого теплообмена участков поверхности планеты, вокруг которой обращается космический аппарат (КА) с солнечными батареями (СБ). Способ включает определение моментов нахождения Солнца в зенитной области над указанным КА (а КА соответственно в подсолнечной точке). Если КА снабжен двумя односторонними СБ с равной нулю выходной мощностью их тыльной поверхности, то в момент прохождения указанной подсолнечной точки одну СБ разворачивают нормалью в направлении Солнца, а другую СБ - в противосолнечном направлении. Измеряют значения токов каждой из СБ, по которым, с учетом известного коэффициента относительной выходной мощности батарей, определяют альбедо в соответствующей подспутниковой точке поверхности Земли. Для КА, СБ которого имеют тыльную поверхность с неравной нулю выходной мощностью, в моменты прохождения подсолнечных точек на двух последовательных витках орбиты разворачивают одну или несколько СБ на первом витке нормалью в направлении Солнца. На втором витке разворот производят в противосолнечном направлении. Измеряют значения токов СБ в первой и второй их ориентациях, по которым, с учетом известного коэффициента относительной выходной мощности тыльной и рабочей поверхностей СБ, определяют альбедо в соответствующей подспутниковой точке поверхности Земли. Технический результат изобретения состоит в возможности определения текущего значения местного альбедо Земли без выполнения дорогостоящих операций по размещению на КА дополнительных приборов и маневрированию КА. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

 

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_п - альбедо земной поверхности;

А_а - альбедо безоблачной атмосферы;

А_об - альбедо облачности;

А_а ^' - 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. Технический результат, обеспечиваемый данным способом, состоит в исключении или максимальной нейтрализации искажающего влияния, привносимого 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 земной поверхности в подспутниковых точках орбиты со снабженного солнечными батареями (СБ) орбитального КA без выполнения дорогостоящих операций по размещению на КА дополнительных приборов и маневрированию КА.

Технический результат по первому варианту достигается тем, что в способе определения альбедо земной поверхности в подспутниковых точках орбиты космического аппарата, включающем последовательное размещение над отражающей поверхностью не менее чем в двух пространственных положениях прибора с чувствительным к измеряемой радиации датчиком и определение значения альбедо по расчетным формулам, дополнительно определяют моменты нахождения Солнца в зенитной области над космическим аппаратом, движущимся по околокруговой орбите вокруг Земли и снабженным двумя односторонними солнечными батареями с выходной мощностью их тыльной поверхности, равной нулю, причем в момент прохождения подсолнечной точки витка орбиты при нахождении Солнца в зенитной области над космическим аппаратом разворачивают одну 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 по этим значениям определяют альбедо земной поверхности в подспутниковой точке, соответствующей указанной подсолнечной точке витка орбиты.

Технический результат по второму варианту достигается тем, что в способе определения альбедо земной поверхности в подспутниковых точках орбиты космического аппарата, включающем последовательное размещение над отражающей поверхностью не менее чем в двух пространственных положениях прибора с чувствительным к измеряемой радиации датчиком и определение значения альбедо по расчетным формулам, дополнительно определяют моменты нахождения Солнца в зенитной области над космическим аппаратом, движущимся по околокруговой орбите вокруг Земли и снабженным солнечными батареями с положительной выходной мощностью их тыльной поверхности, причем в моменты прохождения подсолнечных точек на двух последовательных витках орбиты при нахождении Солнца в зенитной области над космическим аппаратом разворачивают одну или несколько солнечных батарей в рабочее положение, соответствующее совмещению нормали к их рабочей поверхности с направлением на Солнце, и в положение, соответствующее совмещению нормали к их рабочей поверхности с противосолнечным направлением, измеряют значения тока от солнечных батарей в каждом из указанных положений и по этим значениям определяют альбедо земной поверхности в подспутниковых точках, соответствующих подсолнечным точкам указанных витков орбиты.

Суть предлагаемого изобретения поясняется на фиг.1-4, на которых представлено: на фиг.1-3 - схемы освещения СБ солнечным и отраженным от Земли излучением; на фиг.4 - блок-схема реализующей предложенный способ системы.

На фиг.1-2 введены обозначения:

Z - Земля;

О - центр Земли;

S - вектор направления на Солнце;

L - орбита КА;

R₁, R₂ - положения КА в моменты времени соответственно t₁ и t₂;

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

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

B₁, В₂ - подспутниковые точки КA в моменты времени соответственно t₁ и t₂;

P_s - поток солнечного излучения;

P_о - поток отраженного от Земли излучения.

На фиг.3 дополнительно обозначено:

R_s - подсолнечная точка текущего витка орбиты КA;

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.

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 КA 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 КA поступающие на КА потоки излучения - поток солнечного излучения P_s и поток отраженного от Земли излучения Р_о - направлены противоположно (см. фиг.1-3).

Рассмотрим текущую ориентацию СБ КA, при которой нормаль к рабочей поверхности СБ N совмещается с направлением на Солнце S. В момент прохождения КА подсолнечной точки текущего витка орбиты КА на рабочую поверхность панелей СБ поступает поток солнечного излучения P_s (угол его падения, отсчитываемый от нормали к плоскости рабочей поверхности СБ, равен 0°), а на тыльную поверхность панелей СБ поступает поток отраженного от Земли излучения Р_o (угол его падения, отсчитываемый от нормали к плоскости тыльной поверхности СБ, также равен 0°). Обозначим такой момент времени как t₁ и измеренное значение тока от СБ в момент t₁ обозначим как I₁ (см. фиг.1).

После этого СБ переориентируются в положение, при котором нормаль к рабочей поверхности СБ N направлена против направления на Солнце S. В момент прохождения КА подсолнечной точки последующего витка орбиты КА на рабочую поверхность СБ поступает поток отраженного излучения Р_о, а на тыльную поверхность панелей СБ поступает поток солнечного излучения P_s. Обозначим этот момент времени как t₂ и измеренное значение тока от СБ в момент t₂ обозначим как I₂ (см. фиг.2).

Угловое рассогласование по географической широте между точками B₁ и В₂, от которых в моменты t₁ и t₂ отраженное от Земли излучение поступает на КА, равно нулю, а по долготе не превышает величину межвиткового расстояния d (например, для КА типа орбитальных космических станций с наклонением орбиты ί≈51.6° величина d≈23°) и уменьшается с увеличением отклонения широты данных точек от экватора. Рассматриваем пары последовательных витков, на которых величина потока отраженного излучения в данные моменты времени отличается незначительно и может быть принята одинаковой (Р_о).

Наряду с этим известно, что эффективное значение плотности потока солнечного излучения, поступающего на поверхность СБ, так же 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 поверхности Земли А определяется соотношением:

Поскольку излучение, используемое СБ для генерации тока, пропорционально току, генерируемому СБ, то измеренные значения токов I₁ и I₂ пропорциональны величинам поступающих на СБ суммарных потоков излучения P₁ и Р₂, используемых для генерации тока в моменты выполнения данных измерений:

В случае когда СБ КА выполнены односторонними с выходной мощностью тыльной поверхности панелей СБ, равной нулю, величины потоков излучения P₁ и Р₂, используемых для генерации тока в моменты t₁ и t₂, равны величинам потоков P_s и Р_о:

и, с учетом (3)-(5), (2) принимает вид:

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 суммарных потоков излучения P₁ и Р₂, используемых для генерации тока под воздействием поступающего на рабочую и тыльную поверхности панелей СБ излучения в моменты t₁ и t₂, составляют:

где К - коэффициент выходной мощности тыльной поверхности панелей СБ относительно выходной мощности их рабочей поверхности, являющийся заданной технической характеристикой СБ.

При этом, поскольку на шине электроснабжения КА поддерживается постоянное напряжение, то коэффициент К применяется и к значениям тока от СБ, К является также отношением значений токов от СБ при освещении их тыльной и рабочей поверхностей.

Умножим (7) и (8) на соответственно Р₂/P_s и P₁/P_s и подставим вместо P_о полученное из (2) выражение:

В итоге получим систему двух уравнений с равными левыми частями:

Приравняв правые части и решив полученное уравнение относительно А, получим:

Перейдя от потоков излучения к токам, имеем:

Формулы (6) и (13) при К=0 совпадают, поэтому соотношение (13) является обобщающей формулой для определения альбедо поверхности Земли по данной методике.

При получении данного соотношения принимается, что отражающая способность поверхности Земли в подспутниковых точках B₁, В₂ на моменты прохождения подсолнечных точек двух последовательных витков околокруговой орбиты КА изменяется незначительно и принимается одинаковой. В то же время, если КА снабжен двумя односторонними СБ (выходная мощность тыльной поверхности панелей СБ равна нулю), то альбедо Земли может быть определено без использования данного допущения по следующей методике.

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, а другую СБ разворачивают в положение, соответствующее совмещению нормали к ее рабочей поверхности с противосолнечным направлением (см. фиг.3).

Обозначим:

I₁ ^' - измеренное в момент прохождения подсолнечной точки витка орбиты значение тока от первой СБ, нормаль к рабочей поверхности которой совмещена с направлением на Солнце;

I₂ ^' - измеренное в момент прохождения подсолнечной точки витка орбиты значение тока от второй СБ, нормаль к рабочей поверхности которой совмещена с противосолнечным направлением;

P₁ ^', Р₂ ^' - величины потоков излучения, используемые для генерации тока, соответственно первой и второй СБ;

К^' коэффициент выходной мощности первой СБ относительно выходной мощности второй СБ, являющийся заданной технической характеристикой данных СБ.

При этом, поскольку на шине электроснабжения КА поддерживается постоянное напряжение, то коэффициент К^' применяется и к соответствующим значениям токов от СБ.

Поскольку данные СБ являются односторонними (выходная мощность тыльной поверхности панелей СБ равна нулю), то величины потоков излучения P₁ ^' и Р₂ ^' равны величинам потоков P_s и Р_о, взятым с учетом относительного коэффициента К^' выходной мощности данных СБ:

Поскольку излучение, используемое СБ для генерации тока, пропорционально току, генерируемому СБ, то измеренные значения токов I₁ ^' и I₂ ^' пропорциональны величинам потоков излучения P₁ ^' и Р₂ ^':

и, с учетом (14)-(16), (2) принимает вид:

Отметим, что значения P₁, Р₂ и P₁ ^', P₂ ^' являются как бы «нормированными» или «приведенными к общему относительному знаменателю». Величина данных потоков получена учетом относительных коэффициентов К и К^' выходной мощности СБ, которые характеризуют способность СБ генерировать ток под воздействием поступающего на СБ излучения.

На фиг.4, 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 (для случая произвольной конфигурации СБ КА).

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 измерения текущего тока СБ из СЭС (3) в качестве значения тока I₁ поступают на БВ (4).

Далее по командам БУСЭС (2) СЭС (3) осуществляет разворот СБ в положение, при котором нормаль к рабочей поверхности СБ совмещается с противосолнечным направлением.

В блоке БОМНСЗО (1) определяются моменты нахождения Солнца в зенитной области над КА на последующем витке орбиты КА и данная информация передается в БУСЭС (2). По данной информации БУСЭС (2) формирует и передает в СЭС (3) команды, по которым измерения тока СБ из СЭС (3) в качестве значения тока I₂ поступают па БВ (4).

В БВ (4) запоминаются поступившие на него значения токов I₁, I₂ и по формуле (13) вычисляется значение альбедо 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 поверхности Земли с орбитального снабженного СБ КА, а именно выполнить определение текущего значения альбедо поверхности Земли с орбитального КА без выполнения дорогостоящих и сложных операций по размещению на КА дополнительного измерительного оборудования, маневрирования КA и специальной подготовки исследуемой поверхности.

Технический результат достигается за счет определения текущего значения альбедо поверхности Земли по измеренным значениям тока от СБ КА, движущегося по околокруговой орбите вокруг Земли, развернутых в предложенные положения в предложенные моменты времени по предложенной методике.

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. Москва, 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. Москва, «Наука», 1984.

7. Система управлением движением и навигации КA. Техническое описание. З00ГК.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 г.

10. Система электроснабжения КА. Техническое описание. З00ГК.20Ю. 0000-АТО. РКК «Энергия», 1998.

1. Способ определения альбедо земной поверхности в подспутниковых точках орбиты космического аппарата, включающий последовательное размещение над отражающей поверхностью не менее чем в двух пространственных положениях прибора с чувствительной к измеряемой радиации датчиком и определение значения альбедо по расчетным формулам, отличающийся тем, что дополнительно определяют моменты нахождения Солнца в зенитной области над космическим аппаратом, движущимся по околокруговой орбите вокруг Земли и снабженным двумя односторонними солнечными батареями с выходной мощностью их тыльной поверхности, равной нулю, причем в момент прохождения подсолнечной точки витка орбиты при нахождении Солнца в зенитной области над космическим аппаратом разворачивают одну 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 по этим значениям определяют альбедо земной поверхности в подспутниковой точке, соответствующей указанной подсолнечной точке витка орбиты.

2. Способ определения альбедо земной поверхности в подспутниковых точках орбиты космического аппарата, включающий последовательное размещение над отражающей поверхностью не менее чем в двух пространственных положениях прибора с чувствительной к измеряемой радиации датчиком и определение значения альбедо по расчетным формулам, отличающийся тем, что дополнительно определяют моменты нахождения Солнца в зенитной области над космическим аппаратом, движущимся по околокруговой орбите вокруг Земли и снабженным солнечными батареями с положительной выходной мощностью их тыльной поверхности, причем в моменты прохождения подсолнечных точек на двух последовательных витках орбиты при нахождении Солнца в зенитной области над космическим аппаратом разворачивают одну или несколько солнечных батарей в рабочее положение, соответствующее совмещению нормали к их рабочей поверхности с направлением на Солнце, и в положение, соответствующее совмещению нормали к их рабочей поверхности с противосолнечным направлением, измеряют значения тока от солнечных батарей в каждом из указанных положений и по этим значениям определяют альбедо земной поверхности в подспутниковых точках, соответствующих подсолнечным точкам указанных витков орбиты.