СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АЛЬБЕДО ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2015 года по МПК G01N21/55 

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 изучение, 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.

При теоретическом расчете значение альбедо Земли может приниматься так, что оптические характеристики Земли такие же, как и у однородной диффузно отражающей поверхности с коэффициентом отражения 0,34 (Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей. Москва, Энергоатомиздат, 1983).

Определение альбедо Земли может быть выполнено по метеорологическим данным и данным о сезонном и географическом распределении полной облачности и отражательных способностях различных видов облаков и подстилающей поверхности, получаемая при этом средняя расчетная величина альбедо Земли оценивается равной 0,35 (Кондратьев К.Я. Актинометрия. - М.: Гидрометеоиздат, 1965; Крошкин М.Г. Физико-технические основы космических исследований. - М.: Машиностроение, 1969).

Как видно из изложенного, 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 земной поверхности (Патент РФ №2353920 по заявке №2007129599/28 от 02.08.2007, МПК: G01N 21/55 - прототип), согласно которому определяют моменты нахождения Солнца в зенитной области над снабженным одной или несколькими солнечными батареями (СБ) КА, движущимся по околокруговой орбите вокруг Земли, на двух последовательных витках орбиты, и в момент нахождения Солнца в зенитной области над КА при прохождении подсолнечной точки первого витка орбиты разворачивают СБ в рабочее положение, соответствующее совмещению нормали к их рабочей поверхности с направлением на Солнце, а в момент нахождения Солнца в зенитной области над КА при прохождении подсолнечной точки следующего витка орбиты разворачивают СБ в положение, соответствующее совмещению нормали к их рабочей поверхности с противосолнечным направлением, измеряют значения тока от СБ в каждом из описанных положений СБ и определяют значение альбедо Земли A по формуле $$A=\frac{I_2-K\cdot I_1}{I_1-K\cdot I_2}$$ ,

где I_1,2 - значения тока от СБ, измеренные в моменты прохождения подсолнечных точек, соответственно, на витке орбиты при совмещении нормали к рабочей поверхности панелей СБ с направлением на Солнце и на последующем витке орбиты при совмещении нормали к рабочей поверхности панелей СБ с противосолнечным направлением;

K - коэффициент выходной мощности тыльной поверхности панелей СБ относительно выходной мощности их рабочей поверхности.

В задаче измерения альбедо земной поверхности существенное значение имеет зависимость альбедо от угла падения солнечной радиации на отражающую поверхность, который характеризуется углом высоты Солнца - углом между направлением на Солнце и плоскостью местного горизонта. Способ-прототип позволяет определять значение альбедо земной поверхности только для случая освещения подстилающей земной поверхности солнечным излучением под прямым углом (по нормали к подстилающей поверхности) и не позволяет определять альбедо земной поверхности при разных углах падения солнечной радиации на отражающую поверхность.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является определение альбедо земной поверхности для различных углов падения солнечной радиации на отражающую поверхность.

Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в определении по измеренным значениям тока от СБ орбитального КА значений альбедо земной поверхности для различных углов падения солнечной радиации на отражающую поверхность, соответствующих различным высотам Солнца над подстилающей поверхностью.

Технический результат достигается тем, что в способе определения альбедо земной поверхности, включающем развороты СБ КА, движущегося по околокруговой орбите вокруг Земли, измерение значений тока от СБ и определение по ним значения альбедо земной поверхности, дополнительно измеряют высоту орбиты КА, по которой определяют угол полураствора видимого с КА диска Земли, выбирают интервал времени, продолжительность которого равна длительности разворота СБ на 180° вокруг оси, параллельной плоскости СБ, и в течение которого угол между радиус-вектором КА и направлением на Солнце ≤ угла полураствора видимого с КА диска Земли, к моменту начала упомянутого интервала времени разворачивают СБ до совмещения нормали к рабочей поверхности СБ с направлением в зенит и измеряют значение тока от СБ, после чего разворачивают СБ до совмещения нормали к рабочей поверхности СБ с направлением в надир и измеряют значение тока от СБ, фиксируют диапазон значений высоты Солнца над плоскостью местного горизонта в упомянутом интервале времени, и значение альбедо земной поверхности для фиксируемого диапазона значений высоты Солнца определяют по формуле

$$A=\frac{\sin h_1\cdot I_2-\sin h_2\cdot K\cdot I_1}{I_1-K\cdot I_2}$$ ,

где I_1,2 - значения тока от СБ, измеренные при совмещении нормали к рабочей поверхности СБ с направлением в зенит и надир, соответственно,

h_1,2 - значения высоты Солнца над плоскостью местного горизонта в моменты измерения токов I_1,2,

K - коэффициент выходной мощности тыльной поверхности СБ относительно выходной мощности рабочей поверхности СБ.

Суть предлагаемого изобретения поясняется на фиг.1, на которой представлена схема освещения СБ в моменты выполнения измерений тока и введены следующие обозначения:

Z - Земля;

S - направление на Солнце;

R - направление радиус-вектора КА;

Q - угол полураствора видимого с КА диска Земли;

g - угол между радиус-вектором КА и направлением на Солнце;

h - высота Солнца над плоскостью местного горизонта;

M - плоскость местного горизонта;

W - орбита КА;

N - нормаль к рабочей поверхности СБ;

P_S - поток солнечного излучения;

P_O - суммарный поток отраженного от Земли излучения, поступающий на 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 принимаем, что суммарный поток отраженного от Земли излучения, поступающий на КА в каждый текущий момент времени, направлен по нормали к плоскости местного горизонта.

Рассматриваются односторонние СБ и СБ с положительной выходной мощностью их тыльной поверхности - например, у СБ российского сегмента международной космической станции (МКС) и транспортных кораблей «Прогресс» и «Союз», формально являющихся односторонними, выходная мощность тыльной поверхности положительна.

В штатной полетной ориентации СБ нормаль к рабочей поверхности СБ совмещается с направлением на Солнце.

Измеряют высоту орбиты КА, по которой определяют угол Q полураствора видимого с КА диска Земли. Определение Q может быть выполнено, например, по соотношению

$$Q=\arcsin \frac{R_Z}{R_Z+H_{orb}},\left(1\right)$$

где R_Z - радиус Земли,

H_orb - высота орбиты КА.

Определяют значение Δt - длительность разворота СБ на 180° вокруг оси, параллельной плоскости СБ. Время Δt определяется угловой скоростью вращения СБ.

Выбирают интервал времени продолжительностью Δt, в течение которого выполняется условие

$$\text{g}\le \text{Q}\text{, }\left(\text{2}\right)$$

где g - угол между радиус-вектором КА и направлением на Солнце.

При таком значении угла g вся видимая с КА в текущий момент подстилающая земная поверхность освещена солнечным излучением. Угол g связан с высотой Солнца над плоскостью местного горизонта h соотношением

$$\text{g}=\text{90}°\text{-h}\text{. }\left(\text{3}\right)$$

Обозначим t₁ и t₂ - моменты начала и окончания данного интервала.

Такой выбор моментов t₁ и t₂ означает то, что вся видимая с КА в моменты t₁ и t₂ подстилающая земная поверхность освещена солнечным излучением и за время от t₁ до t₂ нормаль к рабочей поверхности СБ может быть развернута на угол 180°. Такие интервалы времени всегда существуют на витках орбиты, на которых продолжительность теневой части витка не менее, чем Δt.

К моменту t₁ разворачивают СБ до совмещения нормали к рабочей поверхности СБ с направлением в зенит.

В момент t₁ измеряют значение тока от СБ (I₁) и определяют высоту Солнца над плоскостью местного горизонта (h₁).

При такой ориентации СБ на рабочую поверхность СБ поступает поток солнечного излучения P_S, угол его падения, отсчитываемый от нормали к плоскости рабочей поверхности СБ, равен g₁=90°-h₁. На тыльную поверхность СБ поступает поток отраженного излучения P_O, направленный вдоль нормали к плоскости тыльной поверхности СБ.

Далее выполняют разворот СБ до совмещения нормали к рабочей поверхности СБ с направлением в надир и измеряют значение тока от СБ. Для этого нормаль к рабочей поверхности СБ поворачивают на 180°, при этом разворот закачивается к моменту t₂.

В момент t₂ измеряют значение тока от СБ (I₂) и определяют высоту Солнца над плоскостью местного горизонта в подспутниковой точке КА (h₂).

При такой ориентации СБ на рабочую поверхность СБ поступает поток отраженного излучения P_O, направленный вдоль нормали к плоскости рабочей поверхности СБ. На тыльную поверхность СБ поступает поток солнечного излучения P_S, угол его падения, отсчитываемый от нормали к плоскости тыльной поверхности СБ, равен g₂=90°-h₂.

Фиксируют диапазон [h₁, h₂] - диапазон значений, принимаемых высотой Солнца над плоскостью местного горизонта в течение выбранного интервала времени [t₁, t₂].

Принимаем, что величина потока отраженного излучения P_O в моменты t₁ и t₂ различается несущественно и может быть принята одинаковой.

Значение альбедо земной поверхности для фиксируемого диапазона значений высоты Солнца [h₁, h₂] определяют по формуле

$$A=\frac{\sin h_1\cdot I_2-\sin h_2\cdot K\cdot I_1}{I_1-K\cdot I_2},\left(4\right)$$

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

Вышеописанные действия многократно выполняют для различных выбранных предложенным образом интервалов времени.

Поясним соотношение (4). Альбедо земной поверхности определяется соотношением

$$A=\frac{P_O}{P_S}\left(5\right)$$

Поскольку излучение, под воздействием которого СБ генерирует ток, пропорционально генерируемому току, то

$$A=\frac{I_O}{I_S},\left(6\right)$$

где I_O и I_S - токи, вырабатываемые СБ под воздействием потоков излучения P_O и P_S, соответственно, при ориентации нормали к рабочей поверхности СБ навстречу потоку.

Эффективное значение плотности потока солнечного излучения, поступающего на поверхность СБ, и ток, вырабатываемый СБ, пропорциональны косинусу угла падения излучения, отсчитываемого от нормали к плоскости СБ (Грилихес В.А., Орлов П.П., Попов Л.Б. Солнечная энергия и космические полеты. Москва, Наука, 1984).

С учетом этого значения токов I₁, I₂, составляют:

$${\text{I}}_{\text{1}}=\text{cos}{\text{g}}_{\text{1}}\cdot {\text{I}}_{\text{S}}+\text{K}\cdot {\text{I}}_{\text{O}}\text{, (7)}$$

$${\text{I}}_{\text{2}}=K\cdot \text{cos}{\text{g}}_{\text{2}}\cdot {\text{I}}_{\text{S}}+{\text{I}}_{\text{O}}\text{. (8)}$$

Из системы уравнений (6), (7), (8) с учетом (3) получаем (4).

Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.

Полученный технический результат заключается в определении значения альбедо земной поверхности для различных углов падения солнечной радиации на отражающую поверхность, соответствующих фиксируемым высотам Солнца, по измеренным значениям тока от СБ орбитального КА, при этом каждое определенное значение альбедо:

- определяется одновременно для двух конкретных областей подстилающей земной поверхности, разнесенных вдоль трассы КА на заданное расстояние, равное перемещению КА за время разворота СБ на 180°,

- соответствует конкретному диапазону значений высоты Солнца, в пределах которого высота Солнца изменяется за время разворота СБ на 180°,

- получено на конкретном интервале времени, продолжительность которого равна длительности разворота СБ на 180°.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает определение альбедо двух фиксируемых областей подстилающей земной поверхности, координаты которых разнесены вдоль трассы КА на заданное расстояние, равное перемещению КА за время разворота СБ на 180°, и которые обладают одинаковыми отражательными свойствами на фиксируемом интервале времени, продолжительность которого равна длительности разворота СБ на 180°, при фиксируемом диапазоне углов падения солнечной радиации на отражающую поверхность, в пределах которого данный угол изменяется за время разворота СБ на 180°.

Полученное значение альбедо соответствует зафиксированному диапазону значений высоты Солнца [h₁, h₂]. На каждом витке орбиты, на котором продолжительность теневой части витка не менее Δt, можно выбрать разные интервалы времени [t₁, t₂], имеющие продолжительность Δt и удовлетворяющие условию (2), при этом разным интервалам [t₁, t₂] соответствуют разные диапазоны значений высоты Солнца [h₁, h₂]. Поэтому данный способ позволяет получить на каждом конкретном витке орбиты КА значения альбедо для любой из возможных реализаций данного диапазона значений высоты Солнца на данном витке.

Технический результат достигается за счет предложенных измерений и фиксации значений высоты Солнца над плоскостью местного горизонта КА, определения значения альбедо земной поверхности по измеренным в предложенные моменты времени значениям тока от СБ КА, развернутых в предложенные положения, с использованием предложенной формулы для вычислений, а также за счет того, что предложенные моменты измерений тока от СБ определяются с использованием предложенных навигационных измерений орбиты КА и предложенных геометрических и временных условий и факторов.

Предлагаемый способ применим к КА с любым количеством СБ, в том числе при его реализации можно задействовать любое количество СБ. Отметим, что для интерпретации и дальнейшего использования полученных значений альбедо целесообразно также фиксировать метеорологические условия над подстилающей поверхностью (в частности, величину и характер облачности) и навигационные параметры движения КА.

В настоящее время технически все готово для реализации предложенного способа. Промышленное исполнение существенных признаков, характеризующих изобретение, не является сложным и может быть выполнено с использованием существующих технических средств.

Изобретение относится к космической технике. Способ определения альбедо земной поверхности включает развороты солнечной батареи (СБ) космического аппарата (КА), движущегося по околокруговой орбите вокруг Земли, измерение значений тока от СБ и определение по ним значения альбедо земной поверхности. Дополнительно измеряют высоту орбиты КА, по которой определяют угол полураствора видимого с КА диска Земли Q. Выбирают интервал времени, продолжительность которого равна длительности разворота СБ на 180° вокруг оси, параллельной плоскости СБ, и в течение которого угол между радиус-вектором КА и направлением на Солнце ≤Q. К моменту начала упомянутого интервала времени разворачивают СБ до совмещения нормали к рабочей поверхности СБ с направлением в зенит и измеряют значение тока от СБ I₁. Разворачивают СБ до совмещения нормали к рабочей поверхности СБ с направлением в надир и измеряют значение тока от СБ I₂. Фиксируют диапазон значений высоты Солнца над плоскостью местного горизонта в упомянутом интервале времени. Значение альбедо определяют по формуле. Изобретение позволяет определять альбедо для различных фиксируемых диапазонов изменения угла падения солнечной радиации на отражающую поверхность за время разворота СБ на 180°. 1 ил.

Способ определения альбедо земной поверхности, включающий развороты солнечной батареи космического аппарата, движущегося по околокруговой орбите вокруг Земли, измерение значений тока от солнечной батареи и определение по ним значения альбедо земной поверхности, отличающийся тем, что дополнительно измеряют высоту орбиты космического аппарата, по которой определяют угол полураствора видимого с космического аппарата диска Земли, выбирают интервал времени, продолжительность которого равна длительности разворота солнечной батареи на 180° вокруг оси, параллельной плоскости солнечной батареи, и в течение которого угол между радиус-вектором космического аппарата и направлением на Солнце ≤ угла полураствора видимого с космического аппарата диска Земли, к моменту начала упомянутого интервала времени разворачивают солнечную батарею до совмещения нормали к рабочей поверхности солнечной батареи с направлением в зенит и измеряют значение тока от солнечной батареи, после чего разворачивают солнечную батарею до совмещения нормали к рабочей поверхности солнечной батареи с направлением в надир и измеряют значение тока от солнечной батареи, фиксируют диапазон значений высоты Солнца над плоскостью местного горизонта в упомянутом интервале времени, и значение альбедо земной поверхности для фиксируемого диапазона значений высоты Солнца определяют по формуле $$A=\frac{{\sinh }_1\cdot I_2-{\sinh }_2\cdot K\cdot I_1}{I_1-K\cdot I_2}$$ , где I_1,2 - значения тока от солнечной батареи, измеренные при совмещении нормали к рабочей поверхности солнечной батареи с направлением в зенит и надир, соответственно; h_1,2 - значения высоты Солнца над плоскостью местного горизонта в моменты измерения токов I_1,2; K - коэффициент выходной мощности тыльной поверхности солнечной батареи относительно выходной мощности рабочей поверхности солнечной батареи.