168746 (Дистанційний екологічний моніторинг), страница 2

Рис. 1.2. Хмарність Землі з орбіти

У зв’язку із специфікою вимог до метеоспостережень для глобального прогнозування та регіонального аналізу припускаються дві системи метеорологічних спостережень з використанням супутників:

з централізованою обробкою даних (глобальне прогнозування);

з автономним використанням даних (регіональна оцінка й прогноз).

Централізована система (рис. 1.3) забезпечує одержання моментальних телевізійних зображень хмарового покриву, які послідовно охоплюють усі ділянки поверхні Землі, над якими проходять орбіти метеосупутників. Зображення запам’ятовуються в бортовому комп’ютері ШСЗ та зберігаються до моменту входження його у зону зв’язку з наземною станцією приймання даних та управління ШСЗ, після чого, за командами з Землі, починається передача усіх зображень, що одержано за один оберт ШСЗ відносно Землі.

Рис.1.3. Блок-схема централізованої системи метеоспостережень з використанням ШСЗ

Автономна система на відміну від централізованої не має на борту ШСЗ бортових пристроїв запам’ятовування даних. Зображення із спеціального відікону (телевізійної передаючої трубки), який тимчасово зберігає його, передається автоматично на автономні наземні станції приймання даних (рис. 1.4). Автономна система дозволяє забезпечити метеоданими, практично без затримки, досить великі географічні райони. Для одержання від ШСЗ інформації про метеоумови у будь-якому районі необхідна приймальна станція, що устаткована апаратурою реєстрації (одержання фото- і відео- зображень) телеінформації. Для одержання зображення кожного району Землі, регулярно у полудень (на цей час райони спостереження добре освітлені) бажано використовувати так звані сонячно-синхронні орбіти, площина яких обертається (прецесія орбіти) синхронно із обертанням Землі навколо Сонця у східному напрямку. Орбітальна площина супутника має бути компланарною з напрямком Земля – Сонце. Необхідну швидкість прецесії забезпечують під час запуску обранням відповідного кута нахилення площини орбіти до екватору.

Рис.1.4. Блок-схема автономної системи метеоспостережень з використанням ШСЗ

В першому наближенні швидкість прецесії висхідного вузла орбіти (рад/с) визначається за формулою:

де - екваторіальний радіус Землі (6378,245 км); - кут нахилу орбіти від екватору (градус); - найвіддаленіша точка орбіти від центру Землі (км); - найближча точка орбіти від центру Землі (км).

Отже, для сонячно-синхронної орбіти кут нахилу (рад) буде становити:

Так як прецесія в східному напрямку має додатний знак (+), то кут

З метою спрощення обробки одержаних зображень та зберігання незмінних характеристик розрізнювальної здатності зображень на знімках доцільні кругові та наближені до них орбіти. Для фіксування швидкоплинних атмосферних явищ (вихорових шквалів, грозових областей тощо, див. рис. 1.5), особливо частих в низьких широтах, найпридатніші кругові орбіти.

Рис. 1.5. Циклон над територією України

Найдоцільнішими вважають системи, що складаються з чотирьох та шести метеосупутників, що обертаються на полярних кругових орбітах висотою 600 – 2000 км від усередненої земної поверхні, розташовані так, щоб супутники одночасно знаходилися риблизно на одній широті (орбіти рознесені по довготі).

Зону ефективного зв’язку можна оцінювати величиною дуги геоцентричного кола (рис. 1.6-1.7). Якщо проекція траєкторії

ШСЗ на Землю проходить на відстані від станції, не меншій за при будь-якій орієнтації орбіти відносно точки стояння станції на даному оберті буде можлива передача від супутника протягом часу, не меншим за встановлену тривалість сеансу , і при цьому кут підняття антени не буде меншим за допустимий Як видно з рис. 1.6, відстань проекції траєкторії на Землю визначається як:

Рис.1.6. Схема визначення зони ефективного зв’язку наземного пункту з ШСЗ

де - дугова курсова відстань (дуга геоцентричного кола), що відповідає находженню ШСЗ в зоні видимості станції протягом часу ( де - період обертання ШСЗ); - радіус Землі; - висота орбіти.

Якщо зв’язок станції з ШСЗ буде можливий на кожному витку. Якщо величина не задовольняє цій умові, то частота проходження ШСЗ повз зону ефективного зв’язку (при )

При та Значення параметрів будуть:

Рис. 1.7. Схема для визначення частоти сеансів зв’язку наземного пункту з ШСЗ: - проекції траєкторій ШСЗ на земну поверхню; - точка стояння станції; - північний полюс ( )

Система метеорологічних ШСЗ може виконувати також завдання по збору і передачі до єдиного центру метеорологічних даних від окремих морських та повітряних метеостанцій.

Російські супутники космічної метеорологічної системи ”Метеор’’ забезпечують одержання комплексної метеоінформації: телевізійної, інфрачервоної, актинометричної з освітленого та тіньового боків Землі (табл. 1.1).

Метеорологічні супутники SMS (США) призначені для зйомки хмарового покриву в денний та нічний часи із стаціонарної орбіти ( сх.д.), а також для ретрансляції метеорологічної інформації. Вони передають космічні знімки хмарового покриву кожні 30 хвилин.

Таблиця 1.1

Основні дані російських метеорологічних ШСЗ системи ,,Метеор”

1.4 Навігаційні ШСЗ

Орбітальна система з навігаційних ШСЗ, що розроблена у США, в сукупності з наземною системою забезпечення та бортовою апаратурою об’єктів, що визначаються у наш час використовується для встановлення місця об’єкта в заданій системі координат у будь-який час доби, за будь-яких метеоумов та необмеженій пропускній здатності. За опорну радіонавігаційну величину (орієнтир з відомими координатами на даний момент часу) використовується задана у часі й просторі з певною точністю траєкторія руху супутника. Траєкторія ШСЗ в часі задається ефемеридами, що періодично обновлюються у системі єдиного часу. Значення ефемерид вводяться разом із сигналами точного часу від бортового датчика. Траєкторії руху ШСЗ також можна обирати із спеціальних каталогів, подібних до астрономічних для ефемерид.

В залежності від методів вимірювання параметрів, що характеризують відносне положення ШСЗ та об’єкта, що визначається, розрізняють декілька способів визначення місцеположення об’єкта:

дальномірний;

кутомірний;

дальномірно-кутомірний;

доплеровський.

Перші три способи через малу точність вимірювань практично не використовуються.

В допплерівських системах для визначення величини зміщення точки стояння об'єкта відносно сліду траєкторії супутника на земній поверхні - курсового параметра ШСЗ (рис. 1.8) - використовуються вимірювання допплерівського зсуву частоти сигналів, що випромінюються бортовим передавачем:

де - радіальна складова швидкості ШСЗ; - швидкість світла.

Для визначення координат точки стояння об'єкта достатньо визначити величину курсового параметра супутника, текучі координати і параметри руху якого відомі на момент проходження точки .

Рис.1.8. Схема побудови навігаційної системи з використанням ШСЗ: О – об’єкт, що визначається; СС – станція супроводження ШСЗ; СВД – станція введення даних; СЕВ – станція еталонної частоти та єдиного часу; ВЦ та ЦУ – обчислювальний центр та центр управління; - курсовий параметр ШСЗ; - радіальна складова ШСЗ

Якщо прийняти, що ділянка АВ траєкторії ШСЗ прямолінійна і лінійна швидкість супутника на цій ділянці стала, то в кожний момент часу

де - момент часу проходження ШСЗ курсового параметра ( ).

Для точності навігації необхідно враховувати також рефракцію радіохвиль в іоносфері. У зв'язку з цим допплерівський зсув вимірюється не менше ніж на двох частотах. За характеристиками розповсюдження радіохвиль на двох сполучених частотах визначається поправка на рефракцію.

Допплерівська система, яка є пасивною, забезпечує необмежену пропускну здатність.

Характеристики орбітальної системи навігаційних ШСЗ зумовлюються необхідною максимальною частотою визначення місця положення об'єкту, заданим часом активного існування ШСЗ, можливостями встановлення зв'язку між об'єктом, що визначається та ШСЗ (характеристиками радіотехнічної апаратури, енергетичними ресурсами на борту ).

Для навігаційних ШСЗ найбільш бажані полярні кругові орбіти, через те, що вони охоплюють усю поверхню Землі, розрізняються більшою стабільністю, для них простіше ніж для еліптичних розраховувати ефемериди та враховувати вплив збурюючих дій. Висота орбіти зазвичай близько 1000 км. Для, визначення об'єктом у довільній точці Землі свого місцеположення) в орбітальній системі координат не рідше ніж через кожні 100-120 хвилин мають бути не менше чотирьох супутників, які обертаються по круговим полярним орбітам. Площини орбіт (висхідні вузли) в просторі мають бути рознесені на 45°. При цьому вважається, що з кожним супутником об'єкт, що визначається, може підтримувати зв'язок на двох-трьох сусідніх витках (у межах видимості).