Способ определения высоты шероховатости поверхности водоема Российский патент 2023 года по МПК G01W1/08 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к области мониторинга метеорологической обстановки и может быть использовано для повышения точности прогнозов загрязнения водоема техногенными примесями.

Уровень техники.

Одним из основных параметров модели переноса примеси является мера шероховатости подстилающей поверхности, которая необходима, например, для оценки коэффициентов турбулентности атмосферы по формулам Смита-Хоскера, определения граничных условий, расчета скорости ветра на заданной высоте [1, 2]. Мера шероховатости морской поверхности зависит от относительной скорости ветра, характера волнения, высоты волн и стадии развития волн, степени стратификации (при неустойчивой стратификации она гораздо больше, чем при равновесных условиях), разницы температуры воздуха и воды, глубины водоема и рельефа дна, антропогенных загрязнений поверхности и др. [3, 4]. На практике при моделировании загрязнений акватории техногенными примесями используют некоторые усредненные значения z₀ для типовых условий. Например, для очень гладкой поверхности (грязевое болото, лед) в литературе дано значение z₀=10^-3 см, для водной поверхности (море) z₀=10^-2 см [1, 2, 4]. Указанные значения не учитывают степень волнения водной поверхности. При этом, например, при скорости ветра 3 м/с при наличии ветровой волны мера шероховатости z₀ составляет 5,1 см, в случае зыби - 15,1 см [4].

Мера шероховатости z₀ определяется коэффициентом сопротивления C_D [3, 4]

где к- постоянная Кармана;

ν_* - динамическая скорость (скорость трения)

где u(Z) - скорость ветра на высоте z,

z₁, z₂ - высоты, на которых осуществляют измерение скорости ветра.

Из (1) - (3) следует, что оценить высоту шероховатости поверхности водоема можно по измерениям скорости ветра на двух высотах

В большинстве случаев зависимость скорости ветра от высоты в приводном слое до высоты 60 м отвечает логарифмическому закону [4].

Показатели C_D имеют существенные отличия на мелководных и глубоководных участках водоема. Среди причин увеличения коэффициента сопротивления в мелководной части водоема можно указать следующие: уменьшение фазовой скорости волн; увеличение их крутизны; быстро изменяющееся волновое поле; направление волн в прибрежной зоне может не совпадать с направлением среднего ветра. Все эти факты необходимо учитывать при разработке параметризации взаимодействия атмосферы и водоема для прогнозирования переноса примесей над водоемом [5]. Кроме того, при ветре с берега в прибрежной зоне водоема на значение коэффициента сопротивления оказывает влияние топография береговой линии [3].

Обычно измерения параметров ветрового потока над морем проводятся на высоте от 2 до 20 м над уровнем моря.

Параметры ветрового потока над водоемом могут измеряться на специальных сооружениях, установленных на различном расстоянии от береговой линии в зависимости от направления ветра, глубины водоема, рельефа береговой линии и т.п.

В [3] измерения проводят со стационарной платформы на расстоянии 1 км от береговой линии по измерениям скорости ветра и ее флуктуаций на нескольких уровнях от 2 до 10 м. Данный способ используют в исследовательских целях. Он малопригоден для проведения оперативных измерений.

Измерение параметров ветрового потока над водоемом могут проводить с борта судна [5]. При таком способе измерения параметров ветрового потока полученные значения могут искажаться возмущениями, вызванными особенностями конструкции надводной части судна, качкой судна и погрешностью, добавляемой за счет собственной скорости движения судна.

Аналоги

Аналогами предлагаемого способа являются способы определения скорости и направления ветра летательными аппаратами, в том числе беспилотными летательными аппаратами (БЛА), на основе анализа характеристик их полета (смещение под воздействием силы ветра относительно ориентиров, зависимость наклона вектора тяги от скорости ветра) или использования специальных технических средств измерений. Известны способы определения усредненных значений скорости ветра (Патент РФ 2600519, 20.10.2016, G01W 1/00, Патент РФ 2650094, 06.04.2018, G0W 1/08, G01P 5/00, Патент РФ 2632270, 03.10.2017, G0W 1/08, G01P 5/00; Патент РФ 2616352, 14.02.2017, G01W 1/08), заключающиеся в том, что в качестве зонда используют БЛА мультироторного типа, способный зависать в заданной точке пространства и способ (Патент РФ 2206112, 10.06.2003, G01W 1/00), заключающийся в том, что измеряют скорость ветра летательным аппаратом самолетного типа по отклонению маршрута от заданного курса за определенный период времени. В указанных способах решая обратную геодезическую задачу, рассчитывают усредненные значения горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ветра в свободной атмосфере.

Прототип

Известен способ определения коэффициента сопротивления внутри тропических циклонов с применением сбрасываемых с борта самолета метеозондов [6]. Для исследования взаимодействия сред океан/атмосфера в пограничном слое внутри тропических циклонов в США в 2002 г. была создана и прошла летные испытания воздушная мониторинговая система CBLAST на базе пилотируемого летательного аппарата (реактивного самолета), состоящая из двух модулей: самолет ступенчатого спуска и внутреннее ядро опроса (сбора и обработки данных). Одним из элементов системы CBLAST были одноразовые падающие GPS-зонды (ВАТ), предназначенные для построения вертикальных профилей компонент скорости ветра, способ сбрасывания которых с борта самолета с целью исследования ураганных процессов был сертифицирован. GPS-зонды в количестве от 8 до 12 штук сбрасывали с высоты более 1 км с шагом от 9 до 55 км по двум прямолинейным пересекающимся под углом 90° маршрутам. Коэффициент сопротивления был вычислен непосредственно по скорости трения и скорости ветра. Данный способ позволяет оперативно и с высокой степенью достоверности провести измерения для определения коэффициента сопротивления и меры шероховатости в открытом море, но не пригоден для оценки меры шероховатости поверхности водоема прибрежных вод, особенно в замкнутых и полузамкнутых водоемах, подверженных влиянию берегового естественного и техногенного рельефа, а также в силу высокой скорости полета и невозможности точного позиционирования траектории полета зонда.

Технический результат предлагаемого способа заключается в повышении достоверности прогноза распространения техногенной примеси над водной поверхностью и расширении функциональных возможностей БЛА, а именно в возможности определения с помощью БЛА высоты шероховатости поверхности водоема в районах распространения загрязняющих веществ над водоемом.

Цель изобретения - повышение достоверности прогноза экологической обстановки над водоемом путем повышения достоверности исходных данных о состоянии поверхности водоема.

Способ достижения технического результата.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе для определения меры шероховатости поверхности водоема в прибрежной зоне используют в качестве GPS-зонда БЛА. Оперативность обработки данных достигается тем, что дистанционные каналы связи и электронные вычислительные комплексы обеспечивают обработку данных в режиме реального времени. БЛА позволяют провести измерения в любой интересующей области водоема.

Предлагаемый способ отличается тем, что определяют высоту шероховатости поверхности водоема по данным измерений скорости ветра над водоемом в однородном ветровом потоке средствами БЛА в период распространения в атмосфере техногенных примесей.

Сущность изобретения.

В отличие от суши, поверхность водоема преимущественно однородна и не требуется при выборе места проведения измерений скорости ветра учитывать влияние топографии местности на выбор высоты и маршрут полета. Отсутствие препятствий над водной поверхностью позволяет осуществлять безопасные полеты на сверхмалых высотах над водной поверхностью (до 10 м) в зависимости от аэродинамического типа БЛА и высоты волнения поверхности водоема. Для определения относительной высоты полета над взволнованной поверхностью на сверхмалых высотах используют специальные высотометры, обеспечивающие определение высоты над водной поверхностью. Например, акустические.

Как правило полеты БЛА могут осуществляться при скорости ветра не более 15 м/с (7 баллов по шкале Бофорта). При скорости ветра более 18 м/с наблюдаются штормовые явления. Мера шероховатости поверхности водоема при скоростях ветра 15-20 м/с падает до 0,1 мм, свыше 25 м/с коэффициент сопротивления стремится к постоянному значению 0,0022 [3, 5]. Кроме того, штормовое море характеризуется плохо моделируемыми процессами волнового движения. Поэтому получение точных данных о коэффициенте сопротивления (меры шероховатости) поверхности водоема в случае штормовых ветров не актуально. В остальных случаях технические возможности БЛА обеспечивают получение требуемых данных.

БЛА для проведения метеорологических измерений оснащают навигационной системой, например, по сигналам глобальной навигационной системы и/или инерциальной, и высотометром для ведения полетов на сверхмалых высотах над водной поверхностью, например, акустическим, имеющими выход в беспроводной канал передачи данных в комплекс управления и обработки данных БЛА.

При ветре с водоема в полузамкнутых районах (бухтах, заливах) следует избегать мест, где возможна циркуляция ветровых потоков. Анализ направлений ветровых потоков может быть осуществлен по результатам численного моделирования пограничного слоя атмосферы, на основе которого формируют прогноз загрязнения прибрежной зоны водоема численными методами, или синоптических карт, построенных по результатам сезонных и многолетних наблюдений в районе аварии.

Береговая линия (линия уреза воды) является границей, на которой происходит скачок высоты шероховатости поверхности. При ветре с берега формируется внутренний пограничный слой. В целях прогнозирования загрязнения поверхности водоема могут проводиться измерения как в зоне внутреннего пограничного, так и за пределами возмущения ветрового потока, с учетом прогнозируемой длины следа. Полное приспособление поля ветра на высоте z к смене высоты шероховатости наступает на расстоянии 10z от границы скачка шероховатости [7].

Минимальная безопасная высота полета БЛА как правило не менее 10 м от поверхности. При скорости ветра 15 м/с могут возникать волны высотой до 3 м. Выбор минимальной высоты полета зависит от волнения водоема, аэродинамического типа БЛА и траектории полета. Для большинства типов БЛА при условии наличия ветрового волнения поверхности водоема минимальной безопасной высотой полета можно принять высоту 15 м.

Скорость ветра рассчитывают путем решения обратной геодезической задачи по отклонению конечной точки маршрута полета БЛА от заданной. Наиболее оптимальными маршрутами полета для проведения измерений скорости ветра над водной поверхностью являются круговые, для БЛА роторного типа может применяться полный оборот вокруг собственной оси, примененный в Патенте РФ 2616352 от 14.02.2017. Измерения проводят на не менее чем двух высотах над уровнем водоема.

Поскольку скорость ветра является случайной пульсирующей величиной, необходимо получить некоторое усредненное по времени значение. Рекомендуемое время усреднения скорости ветра не менее 5 минут [7]. Определяют высоту шероховатости поверхности водоема по формуле (4) по измерениям на двух высотах.

Опыт проведения аэрологических исследований тропических циклонов системой CBLAST (США) показал, что на высотах менее 340 м возможны отказы двигателя летательного аппарата после нескольких полетов (более шести) из-за скопления солей [6]. С учетом опыта эксплуатации CBLAST, после проведения полетов БЛА на сверхмалых высотах над солеными водоемами, следует осуществлять химическую обработку технических систем для профилактики скопления солей.

Способ осуществляют следующим образом.

1 Оценивают метеорологические условия в районе, для которого требуется определить высоту шероховатости поверхности водоема.

2 Если метеорологические условия отвечают эксплуатационным требованиям БЛА, его готовят к полету. БЛА оснащают системой навигации, высотометром, обеспечивающим полеты на сверхмалых высотах над водной поверхностью, средствами беспроводной передачи данных.

3 Выбирают область акватории, свободную от плавающих средств, островов и надводных конструкций. Проводят анализ зон возможных циркуляций ветровых потоков вдоль береговой линии по численным моделям пограничного слоя атмосферы в районе аварии или данным морской наблюдательной сети. При ветре с берега учитывают влияние береговой линии, расстояние до берега должно быть не менее 10h_max, где h_max максимальная планируемая высота полета.

4 Формируют полетное задание для БЛА с учетом следующих правил:

- минимальная высота полета определяется требованиями безопасности используемого БЛА и высотой ветрового волнения поверхности водоема;

- последующие высоты выбирают с шагом Δh не менее 5, но не более 20 м;

- максимальная высота полета не должна превышать 60 м;

- выбирают траекторию маршрута экспертным путем в зависимости от области обследования и аэродинамического типа БЛА (например, по круговому маршруту на выбранной высоте полета, по пересекающимся прямолинейным маршрутам, выполняя полный оборот вокруг собственной оси в заданной точке для БЛА роторного типа);

- маршруты задают координатами точки начала маршрута и направлением полета в выбранной системе географических координат;

- время выполнения полета на заданной высоте не менее 5 мин.

5 БЛА направляют к первой точке маршрута, определенной полетным заданием.

6 Отключают режим удержания курса БЛА. Переводят БЛА в автоматический режим полета по заданному полетному заданию с удержанием высоты полета относительно поверхности водоема.

7 Выполняют полет по маршруту, при достижении конечной точки маршрута фиксируют координату по данным навигационной системы. Навигационные данные передают в комплекс управления и обработки данных БЛА по беспроводному каналу связи, где посредством программного обеспечения вычисляют скорость ветра, усредненную по маршруту полета, путем решения обратной геодезической задачи.

8 Переводят БЛА в режим удержания курса, перемещают БЛА на следующую высоту проведения измерений в точку с горизонтальными координатами, совпадающими с горизонтальными координатами начальной точки маршрута на первой высоте полета и осуществляют полет в направлении, совпадающим с направлением маршрута на первой высоте полета, чем обеспечивают измерения в однородном ветровом потоке. Выполняют действия пунктов 6, 7.

9 Рассчитывают значение меры шероховатости поверхности водоема по формуле (4) по усредненным значениям скорости ветра на двух высотах.

10 Направляют БЛА к месту посадки, осуществляют посадку и проводят работы по техническому обслуживанию.

Соответствие критерию «новизна».

Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку в известных способах определения меры шероховатости (коэффициента сопротивления) поверхности водоема не используют БЛА. В отличие от известных способов, предлагаемый способ позволяет оперативно оценить показатель меры шероховатости поверхности водоема на любом удалении от берега, включая внутренний пограничный слой.

Соответствие критерию «изобретательский уровень».

Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленные способы метеорологических измерений позволяют определять меру шероховатости поверхности водоема в прибрежной зоне средствами БЛА.

Соответствие критерию «промышленная применимость».

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы серийно выпускаемые БЛА роторного или самолетного типа.

Реализация способа

Предлагаемый способ может быть реализован техническими средствами из состава корабельных (судовых) или наземных робототехнических комплексов противоаварийных служб.

Технико-экономическая эффективность

Для реализации предлагаемого способа для оснащения робототехнического мобильного комплекса БЛА не требуется разработка дополнительного оборудования, при этом повышение достоверности прогноза экологической обстановки способствует сохранению жизни и здоровья населения, проживающего в прибрежной зоне, и экологической безопасности хозяйственной деятельности в прибрежных водах. Расширение перечня функциональных задач БЛА способствует повышению эффективности их эксплуатации.

Список используемых источников

1 Вызова Н.Л. Рассеяние примеси в пограничном слое атмосферы - М.: Гидрометеоиздат, 1974. - 191 с.

2 Гусев Н.Г., Беляев В.А. Радиоактивные выбросы в атмосфере. Справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1986 г. - 224 с.

3 Соловьев Ю.П. Измерения атмосферной турбулентности в прибрежной зоне моря при слабом ветре с горного берега. // Физика атмосферы и океана. - 2013. - Т. 49. - №3. - С.344-357

4 Луговский В.В. Динамика моря. Избранные вопросы, связанные с изучением мореходности корабля. - Л.: Судостроение, 1976. - 191 с.

5 Репина И.А., Артамонов А.Ю., Варенцов М.И., Козырев А.В. Экспериментальные исследования коэффициента сопротивления морской поверхности при сильных ветрах. // Морской гидрографический журнал. - 2015. - №1.-С.53-63

6 Black P.G., D'Asaro Е.А., Drennan Е.А. et al. Atr-Sea Exchange in Hurricanes. Synthesis of Observations from the Coupled Boundary Layer Air-Sea Transfer Experiment. // Bull. Amer. Meteorol. Soc. - 2007. - №3. - P. 357-374

7 Вызова H.Л, Иванов B.H., Гаргер E.K. Турбулентность в пограничном слое атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 264 с.

Изобретение предназначено для определения высоты шероховатости поверхности водоема. Сущность: беспилотный летательный аппарат (БЛА) оснащают навигационной системой, высотомером, обеспечивающим полеты на сверхмалых высотах над водной поверхностью, средствами беспроводной передачи данных. Выбирают интересующую область водоема, свободную от естественных или техногенных объектов. Прокладывают маршрут полета на первой высоте, являющейся минимальной безопасной высотой от поверхности воды. При этом протяженность маршрута должна обеспечивать полет БЛА в течение не менее пяти минут. Направляют БЛА в начальную точку маршрута. Переводят БЛА в режим полета без удержания курса и осуществляют полет по маршруту. Навигационные данные БЛА передают по беспроводному каналу связи в комплекс управления и обработки данных. Определяют среднюю скорость полета над водоемом по отклонениям маршрута БЛА от заданного маршрута под воздействием ветрового потока путем решения обратной геодезической задачи. Аналогичным образом определяют среднюю скорость ветра на второй высоте. Для этого БЛА переводят в режим удержания курса, перемещают его на вторую высоту проведения измерений, составляющую не более 60 м от поверхности воды, в точку с горизонтальными координатами, совпадающими с координатами начальной точки маршрута на первой высоте полета. Осуществляют полет в направлении, совпадающем с направлением маршрута на первой высоте полета. По измеренным скоростям ветра на двух высотах вычисляют высоту шероховатости поверхности водоема. Технический результат: повышение оперативности определения высоты шероховатости поверхности водоема, возможность осуществления измерений в любой интересующей области водоема.

Способ определения высоты шероховатости поверхности водоема по значениям скорости ветра над поверхностью водоема на двух высотах, измеренных метеорологическим GPS-зондом, отличающийся тем, что в качестве GPS-зонда используют беспилотный летательный аппарат, который оснащают навигационной системой, высотометром, обеспечивающим полеты на сверхмалых высотах над водной поверхностью, средствами беспроводной передачи данных, выбирают область водоема в интересующем районе, свободную от естественных или техногенных объектов, прокладывают маршрут на минимальной безопасной высоте полета от поверхности воды протяженностью, обеспечивающей полет в течение не менее пяти минут, направляют беспилотный летательный аппарат в начальную точку маршрута, переводят беспилотный летательный аппарат в режим полета без удержания курса и осуществляют полет по маршруту, навигационные данные беспилотного летательного аппарата передают по беспроводному каналу связи в комплекс управления и обработки данных беспилотного летательного аппарата, определяют среднюю скорость ветра над водоемом по отклонениям маршрута беспилотного летательного аппарата от заданного маршрута под воздействием ветрового потока путем решения обратной геодезической задачи, аналогичным образом определяют среднюю скорость ветра на второй высоте, для чего беспилотный летательный аппарат переводят в режим удержания курса, перемещают беспилотный летательный аппарат на следующую высоту проведения измерений не выше 60 м от поверхности воды в точку с горизонтальными координатами, совпадающими с координатами начальной точки маршрута на первой высоте полета, и осуществляют полет в направлении, совпадающем с направлением маршрута на первой высоте полета, вычисляют высоту шероховатости поверхности водоема по измеренным скоростям ветра на двух высотах.