СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫСОТЫ ОБЛАЧНОСТИ Российский патент 2016 года по МПК G01C5/00 

Изобретение относится к метеорологии и способам для определения физических параметров атмосферы, а также может быть использовано при интерпретации результатов дистанционного зондирования Земли из космоса.

Известен способ измерения высоты нижней границы облачности посредством измерителя (Авторское свидетельство СССР №598390, МПК G01C 3/06, G01S 9/62, на изобретение «Измеритель высоты нижней границы облаков»), заключающийся в наблюдении пятна света, образованного на основании облака направленным вертикально вверх лучом прожектора, причем прожектор и фотоприемник разнесены на известное расстояние, а их оптические оси расположены в одной вертикальной плоскости. Недостатками этого способа являются малый ресурс работы источника световых импульсов измерителя, невысокая точность получаемых данных и невозможность проведения измерений в условиях солнечной засветки и несплошной облачности.

Известны также светолокационные способы измерения высоты нижней границы облачности, по которым в измерителях в качестве источника световых импульсов используются твердотельные лазеры (патент РФ №2136016, МПК G01S 17/95, G01W 1/00, на изобретение "Светолокационный измеритель высоты нижней границы облаков"; каталог фирмы Vaisala, Финляндия, Ceilometr CL31). Недостатками этих способов являются ограниченный ресурс работы твердотельного лазера, высокая стоимость его изготовления и эксплуатации, значительные габариты и потребляемая мощность измерителей, наличие активного излучателя.

Известен способ определения высоты нижней границы облачности (патент РФ №2 377 612 от 01.04.2008, МПК: G01W 1/02 - прототип), по которому получают два разномасштабных изображения выбранного в качестве объекта измерения фрагмента нижней границы облачности, определяют размеры этих изображений, рассчитывают высоту нижней границы облачности, при этом измерения производят одновременно посредством двух идентичных оптико-электронных приборов, которые располагают так, чтобы их вертикальные линии визирования совпадали, а передние главные плоскости оптических систем были совмещены, при этом оптические системы оптико-электронных приборов имеют отличные друг от друга фокусные расстояния, а высоту нижней границы облачности определяют по предложенному соотношению.

В способе-прототипе определяют расстояние до выбранного в качестве объекта измерения фрагмента нижней границы облачности. Недостатком способа-прототипа является то, что для определения высоты облачного покрова над различными точками земной поверхности необходимо в данных точках стационарно размещать и ориентировать упомянутые оптико-электронные приборы. При этом требуется или заранее разместить оптико-электронные приборы во всех точках земной поверхности, над которыми может производиться определение высоты облачного покрова, или иметь возможность оперативно перемещать оптико-электронные приборы в данные точки. Данные требования существенно ограничивают или делают практически невозможным оперативное определение высоты облачного покрова над различными, в общем случае произвольными точками земной поверхности.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является оперативное определение высоты облачного покрова над различными точками земной поверхности.

Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в обеспечении оперативного определения высоты краевой точки видимого с космического аппарата (КА) облачного покрова.

Технический результат достигается тем, что в способе определения высоты облачности, включающем формирование изображения выбранного в качестве объекта измерения фрагмента облачности и определение высоты облачности по измеренным параметрам, дополнительно выполняют навигационные измерения орбиты космического аппарата, производят съемку с космического аппарата краевой точки видимого с космического аппарата на фоне земной поверхности облачного покрова при нахождении в кадре точки тени от выбранной краевой точки облачного покрова и расположении данной краевой точки облачного покрова вне линии, проходящей через космический аппарат параллельно направлению на Солнце, по полученному на снимке изображению определяют координаты точки земной поверхности, лежащей на линии визирования выбранной краевой точки облачного покрова, и координаты точки земной поверхности, на которую падает тень от выбранной краевой точки облачного покрова, по навигационным измерениям определяют координаты точки местоположения космического аппарата на момент выполнения съемки и высоту облачности определяют по высоте выбранной краевой точки облачного покрова, которая определяется как расстояние от земной поверхности до точки, минимально удаленной от линий, одна из которых проходит через определенную точку местоположения космического аппарата и определенную точку земной поверхности, лежащую на линии визирования выбранной краевой точки облачного покрова, а другая из которых параллельна солнечному излучению и проходит через определенную точку земной поверхности, на которую падает тень от выбранной краевой точки облачного покрова.

Изобретение поясняется фиг. 1, на которой представлена схема, поясняющая расчет упомянутого расстояния, и введены следующие обозначения:

1 - элемент облачного покрова;

2 - участок земной поверхности, запечатленный на снимке;

3 - орбита КА;

О - центр Земли;

С - выбранная краевая точка облачного покрова;

Н - высота выбранной краевой точки облачного покрова над земной поверхностью;

G - радиус Земли в направлении ОС;

В - положение КА в момент выполнения съемки;

S - вектор направления на Солнце;

А₁ - точка земной поверхности, лежащая на линии визирования выбранной краевой точки облачного покрова с КА в момент выполнения съемки;

A₂ - точка земной поверхности, на которую падает тень от выбранной краевой точки облачного покрова в момент выполнения съемки.

В предлагаемом способе формируют изображение выбранного в качестве объекта измерения фрагмента облачности и определяют высоту облачности по измеренным параметрам. В качестве изображения используют фотоизображение, полученное путем съемки с КА. В качестве объекта измерения выбирают краевую точку видимого с КА на фоне земной поверхности облачного покрова.

Выполняют навигационные измерения орбиты КА.

Производят съемку с КА краевой точки видимого с КА на фоне земной поверхности облачного покрова при нахождении в кадре точки тени от выбранной краевой точки облачного покрова и при расположении данной краевой точки облачного покрова вне линии, проходящей через КА параллельно направлению на Солнце.

Снимаемую краевую точку облачного покрова и момент ее съемки выбирают таким образом, чтобы обеспечивалось условие одновременного попадания в поле зрения съемочной аппаратуры (на один снимок/кадр) выбранной краевой точки облачного покрова и точки тени на земной поверхности от выбранной краевой точки облачного покрова.

Осуществляют координатную привязку полученного снимка к карте земной поверхности. Координатная привязка заключается в определении географических координат участка земной поверхности, запечатленного на снимке. Координатная привязка снимка осуществляется, например, путем идентификации присутствующих на снимке характерных географических образований с установкой соответствия точек снимка географическим координатам, отраженным в картографических и геоинформационных системах. Используя полученное на снимке изображение и результаты выполненной координатной привязки определяют координаты точки земной поверхности, лежащей на линии визирования выбранной краевой точки облачного покрова, и координаты точки земной поверхности, на которую падает тень от выбранной краевой точки облачного покрова.

По выполненным навигационным измерениям орбиты КА определяют координаты точки местоположения центра масс КА на момент выполнения съемки.

Высоту облачности определяют по высоте выбранной краевой точки облачного покрова, которая определяется как расстояние от земной поверхности до точки, минимально удаленной от двух линий:

- линии, проходящей через точку местоположения космического аппарата на момент выполнения съемки и точку земной поверхности, лежащую на линии визирования выбранной краевой точки облачного покрова и координаты которой определены по полученному снимку,

- линий, проходящей параллельно солнечному излучению через точку земной поверхности, на которую падает тень от выбранной краевой точки облачного покрова и координаты которой определены по полученному снимку.

Выполнение условия, чтобы выбранная краевая точка облачного покрова была расположена вне линии, проходящей через КА параллельно направлению на Солнце, необходимо, чтобы точки A₁ и A₂ не совпали. При расположении выбранной краевой точки облачного покрова на линии, проходящей через КА параллельно направлению на Солнце, точки A₁ и A₂ совпадают и предлагаемый способ не реализуется.

Точность определения высоты облачности по предлагаемому способу определяется углом между направлением солнечного излучения и линией визирования выбранной краевой точки облачного покрова с КА и связанным с данным углом расстоянием между точкой земной поверхности, лежащей на линии визирования выбранной краевой точки облачного покрова, и точки земной поверхности, на которую падает тень от выбранной краевой точки облачного покрова. Например, для определения высоты облачности с заданной точностью снимаемую краевую точку облачного покрова и момент выполнения снимка выбирают таким образом, чтобы в момент выполнения снимка обеспечивалось наличие необходимого расстояния между точкой A₁ земной поверхности, лежащей на линии визирования выбранной краевой точки облачного покрова с КА, и точкой А₂ земной поверхности, на которую падает тень от выбранной краевой точки облачного покрова. Чем больше расстояние A₁A₂, тем точнее может быть вычислено значение высоты облачности.

С учетом того, что точность определения высоты облачности предлагаемого способа определяется углом между линией визирования выбранной краевой точки облачного покрова с КА и направлением солнечного излучения, требуемая точность определения высоты облачности может быть обеспечена выполнением следующих действий: измеряют орбитальные координаты направления на Солнце и орбитальные координаты линии визирования выбранной краевой точки облачного покрова, по измеренным орбитальным координатам определяют текущее значение угла между линией визирования выбранной краевой точки облачного покрова с КА и направлением солнечного излучения, а снимок выполняют в момент, когда значение данного угла будет находиться в задаваемом диапазоне значений, соответствующем требуемой точности определения высоты облачности.

Расстояние от земной поверхности до точки, минимально удаленной от двух вышеописанных линий, определяется вдоль общего перпендикуляра данных линий (вдоль отрезка, перпендикулярного данным линиям) и упомянутая точка минимального удаления рассчитывается как середина общего перпендикуляра. Вышеописанные линии и общий перпендикуляр к ним полностью определяются вышеопределенными координатами КА, упомянутых точек земной поверхности и компонентами вектора направления солнечного излучения. Например, в частном случае, когда вышеописанные линии пересекаются (в этом случае, представленном на фиг. 1, упомянутая точка минимального удаления лежит на пересечении данных линий и минимальное удаление равно нулю) высота выбранной краевой точки облачного покрова рассчитывается по соотношению:

где L_i=OA_i, i=1,2 - радиус-вектора точки земной поверхности, лежащей на линии визирования с КА на выбранную краевую точку облачного покрова, и точки земной поверхности, на которую падает тень от выбранной краевой точки облачного покрова;

R=ОВ - радиус-вектор местоположения КА;

G вычисляется как радиус Земли вдоль векторного произведения [[L₂, S], [L₁, R]].

Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.

Предложный способ обеспечивает оперативное определение высоты краевой точки видимого с КА облачного покрова над различными точками земной поверхности. Способ позволяет оперативно измерять высоту облачного покрова над подстилающей земной поверхностью вдоль орбит множества различных КА дистанционного зондирования Земли, на борту которых размещена разнообразная съемочная аппаратура. В том числе обеспечивается возможность практически одновременного определения высоты облачности над разнесенными по расстоянию районами земной поверхности, а также возможность оперативного определения высоты облачности над оперативно задаваемыми районами интереса.

Достижение технического результата обеспечивается за счет предложенного выбора вида изображения и объекта измерения и выполнения предложенной съемки облачного покрова с КА с предложенным ракурсом наведения поля зрения съемочной аппаратуры, за счет выполнения предложенных навигационных измерений орбиты КА и предложенного вида обработки полученных снимков, а также за счет предложенного определения высоты облачности по высоте выбранной краевой точки облачного покрова с использованием предложенного соотношения для определения упомянутой высоты облачности.

В настоящее время технически все готово для реализации предложенного способа. Навигационные измерения орбиты КА могут быть выполнены с помощью автономной системы навигации КА, основанной на использовании информации от спутниковых навигационных систем. Измерение орбитальных координат направления на Солнце и направления визирования может быть выполнено с использованием оптических датчиков, устройств позиционирования съемочной аппаратуры (платформы наведения и т.д.) и системы управления ориентацией КА. Промышленное исполнение существенных признаков, характеризующих изобретение, не является сложным и может быть выполнено с использованием существующих технических средств.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в метеорологии для определения физических параметров атмосферы. Технический результат - повышение оперативности. Для этого дополнительно выполняют навигационные измерения орбиты космического аппарата (КА), производят съемку краевой точки видимого с КА на фоне земной поверхности облачного покрова при нахождении в кадре точки тени от выбранной краевой точки облачного покрова и расположении данной краевой точки облачного покрова вне линии, проходящей через КА параллельно направлению на Солнце. Определяют координаты точки земной поверхности, лежащей на линии визирования выбранной краевой точки облачного покрова, и координаты точки земной поверхности, на которую падает тень от выбранной краевой точки облачного покрова. По навигационным измерениям определяют координаты точки местоположения КА на момент выполнения съемки и высоту облачности определяют по высоте выбранной краевой точки облачного покрова. 1 ил.

Способ определения высоты облачности, включающий формирование изображения выбранного в качестве объекта измерения фрагмента облачности и определение высоты облачности по измеренным параметрам, отличающийся тем, что выполняют навигационные измерения орбиты космического аппарата, производят съемку с космического аппарата краевой точки видимого с космического аппарата на фоне земной поверхности облачного покрова при нахождении в кадре точки тени от выбранной краевой точки облачного покрова и расположении данной краевой точки облачного покрова вне линии, проходящей через космический аппарат параллельно направлению на Солнце, по полученному на снимке изображению определяют координаты точки земной поверхности, лежащей на линии визирования выбранной краевой точки облачного покрова, и координаты точки земной поверхности, на которую падает тень от выбранной краевой точки облачного покрова, по навигационным измерениям определяют координаты точки местоположения космического аппарата на момент выполнения съемки и высоту облачности определяют по высоте выбранной краевой точки облачного покрова, которая определяется как расстояние от земной поверхности до точки, минимально удаленной от линий, одна из которых проходит через определенную точку местоположения космического аппарата и определенную точку земной поверхности, лежащую на линии визирования выбранной краевой точки облачного покрова, а другая из которых параллельна солнечному излучению и проходит через определенную точку земной поверхности, на которую падает тень от выбранной краевой точки облачного покрова.