СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АЛЬБЕДО ЗЕМЛИ
METHOD FOR DETERMINATION OF EARTH ALBEDO

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 (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):
s
где A - альбедо системы «земная поверхность-атмосфера»;
п
A - альбедо земной поверхности;
a
A - альбедо безоблачной атмосферы;
об
А - альбедо облачности;
a
А' - альбедо слоя атмосферы выше облаков;
об
n - 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 одной или несколькими солнечными батареями космическим аппаратом, движущимся по околокруговой орбите вокруг Земли, на двух последовательных витках орбиты и в момент нахождения Солнца в зенитной области над космическим аппаратом при прохождении подсолнечной точки первого витка орбиты разворачивают солнечные батареи в рабочее положение, соответствующее совмещению нормали к их рабочей поверхности с направлением на Солнце, а в момент нахождения Солнца в зенитной области над космическим аппаратом при прохождении подсолнечной точки следующего витка орбиты разворачивают солнечные батареи в положение, соответствующее совмещению нормали к их рабочей поверхности с противосолнечным направлением, измеряют значения тока от солнечных батарей в каждом из описанных положений солнечных батарей и определяют значение альбедо Земли А по формуле:
1, 2
где I - значения тока от солнечных батарей, измеренные в моменты прохождения подсолнечных точек соответственно, на витке орбиты при совмещении нормали к рабочей поверхности панелей солнечных батарей с направлением на Солнце и на последующем витке орбиты при совмещении нормали к рабочей поверхности панелей солнечных батарей с противосолнечным направлением;
К - заданный коэффициент выходной мощности тыльной поверхности панелей солнечных батарей относительно выходной мощности их рабочей поверхности.
Суть предлагаемого изобретения поясняется на фиг.1-3, на которых представлено: на фиг.1-2 - схемы освещения СБ солнечным и отраженным от Земли излучением; на фиг.3 - 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;
1
2
1
2
R, R - положения КА в моменты времени соответственно t и t;
1
N - нормаль к рабочей поверхности СБ, совмещенная с направлением на Солнце;
2
N - нормаль к рабочей поверхности СБ, совмещенная с противосолнечным направлением;
1
2
1
2
B, В - подспутниковые точки КА в моменты времени соответственно t и t;
s
P - поток солнечного излучения;
о
P - поток отраженного от Земли излучения.
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 являющимся 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 радиусу-вектору КА). Расположение Солнца в зенитной области над КА соответствует выполнению условия, когда угол между направлением на Солнце и направлением радиуса-вектора КА не превышает заданного значения, близкого к нулю и определяющегося как точностью измерения данного угла, так и предъявляемыми целевыми требованиями.
s
o
При расположении Солнца в зенитной области над КА поступающие на КА потоки излучения - поток солнечного излучения P и поток отраженного от Земли излучения Р - направлены противоположно.
1
s
1
s
o
1
о
1
1
1
Рассмотрим текущую ориентацию СБ КА, при которой нормаль к рабочей поверхности СБ совмещается с направлением на Солнце S (см. фиг.1): N=S. В момент прохождения КА подсолнечной точки текущего витка орбиты КА на рабочую поверхность панелей СБ поступает поток солнечного излучения P (угол его падения, отсчитываемый от нормали к плоскости рабочей поверхности СБ, - угол между N и -P, равен 0°), а на тыльную поверхность панелей СБ поступает поток отраженного от Земли излучения Р (угол его падения, отсчитываемый от нормали к плоскости тыльной поверхности СБ, - угол между -N и -P, также равен 0°). Обозначим этот момент времени как t и измеренное значение тока от СБ в момент t обозначим как I.
2
o
s
2
2
2
После этого СБ переориентируются в положение, при котором нормаль к рабочей поверхности СБ направлена против направления на Солнце S (см. фиг.2): N=-S. В момент прохождения КА подсолнечной точки последующего витка орбиты КА на рабочую поверхность СБ поступает поток отраженного излучения Р, а на тыльную поверхность панелей СБ поступает поток солнечного излучения P. Обозначим этот момент времени как t и измеренное значение тока от СБ в момент t обозначим как I.
1
2
1
2
o
Угловое рассогласование по географической широте между точками B и В, от которых в моменты t и t 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 i≈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).
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
о
o
o
где I - ток, вырабатываемый рабочей поверхностью панелей СБ при ее ориентации перпендикулярно потоку Р отраженного от Земли излучения (нормаль к рабочей поверхности панелей СБ противоположна направлению вектора Р),
s
s
s
I - ток, вырабатываемый рабочей поверхностью панелей СБ при ее ориентации перпендикулярно потоку P прямого солнечного излучения (нормаль к рабочей поверхности панелей СБ противоположна направлению вектора P).
1
2
1
2
В случае, когда СБ КА выполнены односторонними с выходной мощностью тыльной поверхности панелей СБ, равной нулю, величины токов I и I, генерируемых в моменты t и t, равны следующим значениям:
и с учетом (2)-(3) соотношение для определения A принимает вид:
После подстановки (4)-(5) в (6) получаем:
Теперь рассмотрим альтернативный случай - случай двухсторонних 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).
1
2
1
2
В этом случае значения токов I и I, генерируемых под воздействием поступающего на рабочую и тыльную поверхности панелей СБ излучения в моменты t и t, составляют:
где К - коэффициент выходной мощности тыльной поверхности панелей СБ относительно выходной мощности их рабочей поверхности, являющийся заданной технической характеристикой СБ.
2
s
1
s
о
Умножим (8) и (9) на соответственно I/I и I/I и подставим вместо I полученное из (6) выражение:
В итоге получим систему двух уравнений с равными левыми частями:
Приравняв правые части и решив полученное уравнение относительно А, получим:
Формулы (7) и (12) при К=0 совпадают, поэтому соотношение (12) является обобщающей формулой для определения альбедо Земли по данной методике.
Отметим, что предложенный способ применим к КА с любым количеством СБ. С другой стороны, при его реализации можно задействовать не все, а любое количество СБ КА.
На фиг.3, 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.
1
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 I 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.
2
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 I поступают на БВ (4).
1
2
В БВ (4) запоминаются поступившие на него значения токов I, I и по формуле (12) 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 СБ КА, движущегося по околокруговой орбите вокруг Земли, развернутых в предложенные положения в предложенные моменты 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. 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 управления 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 г.
10. Система электроснабжения КА. Техническое описание. 300ГК.20Ю.0000-АТО. РКК «Энергия», 1998.