Метеорологические измерения с использованием искусственных спутников Земли. Устройство метеорологических спутников. Системы ориентации

Лекция 28

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИСКУССТВЕННЫХ СПУТНИКОВ ЗЕМЛИ

УСТРОЙСТВО МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ СПУТНИКОВ.

СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ

       Зондирование атмосферы с искусственных спутников Земли (ИСЗ) и прежде всего, фотографирование  земной  поверхности является важным источником информации для анализа и прогноза метеорологической ситуации. В соответствии с режимом передачи  фотографических снимков метеорологические  спутники Земли (МСЗ)  делятся на следующие группы.

   1. Спутники, работающие в режиме непрерывной передачи изображения.  Такие  спутники  в своем  движении  вокруг Земли  передают  изображение того участка земной поверхности,  над которым в данный  момент  находится спутник.

    Недостатком такого  способа  является то обстоятельство, что при полете над малонаселенными  регионами  передаваемая  с  ИСЗ   информация   пропадает  из-за  отсутствия адресатов (приемников).

   2. Спутники, работающие в режиме  накопления информации. Эти  ИСЗ  при движении вокруг Земли "фотографируют" поверхность  и информация  записывается  в  запоминающее устройство, расположенное на ИСЗ. Во время полета в зоне радиовидимости   Центра  управления  полетом  (ЦУП)  вся накопленная  информация  по сигналу  ЦУПа  передается на Землю. Таким образом сразу принимается целая серия фотоснимков.

   Недостатком  такого способа является невозможность  получения  информации  любыми  адресатами,  кроме ЦУПа.

   3. Геостационарные ИСЗ. Как известно, спутник, орбита которого   расположена  на  высоте  36000 км,  вращается вокруг  Земли с той же угловой скоростью,  с какой Земля вращается вокруг своей оси. Поэтому такой  ИСЗ, запущенный в нужном направлении (на восток) будет восприниматься наземным наблюдателем как неподвижный. Такие спутники часто  используются  в системе  связи  для  ретрансляции радио- и телепередач.  Если  ИСЗ  неподвижно "висит" над районом  расположения  адресата, то такой режим является одним из самых выгодных. Во-первых, ИСЗ может достаточно часто передавать  фотографии района расположения адресата, что необходимо,  например, для слежения за динамикой развития  облаков.   Во-вторых,  благодаря  значительной высоте орбиты  ИСЗ "видит" соседние регионы, а также достаточно удаленные участки планеты. В третьих, появляется возможность  обрабатывать  передаваемые фотоснимки, а затем использовать  ИСЗ качестве ретранслятора и передавать адресатам уже обработанные фотографии - например, с указанием реперных точек, позволяющих осуществить точную картографическую привязку.

    

   Рассмотрим блок-схему основной аппаратуры, помещаемой на МСЗ (рис.28.1). Она состоит из четырех основных  систем: система электропитания (4), система ориентации спутника (3), система управления спутником (2) и бортовой информационно-измерительный комплекс БИИК (1). Разумеется, для метеоизмерений представляет интерес именно этот последний комплекс. Тем не менее рассмотрим коротко другие блоки. Энергетический блок- это, чаще всего, солнечные батареи с аккумулятором. Блок управления ориентацией имеет несколько датчиков - датчик угловой скорости, датчик направления полета,  датчик направления на Землю и датчик магнитного поля. Последний датчик представляет наибольший интерес, так как дает возможность измерить составляющие магнитного поля Земли, что само по себе является важной исследовательской задачей. 

    Следующим является блок управления.  Этот  блок снабжен антенной для приема и передачи сигналов на Землю. Управление спутником осуществляется, как правило, из ЦУПа и включает в себя корректировку орбиты спутника, корректировку его положения в пространстве и скорости полета.

   Теперь рассмотрим более подробно систему ориентации спутника. Ориентация спутника может быть пассивной (это понятие включает в себя только получение информации о положении спутника в пространстве) или активной (получение  информации и корректировка положения спутника). В настоящее время все спутника снабжаются системой активной ориентации. Для корректировки положения спутника в пространстве используются двигательные установки.

  Активная система ориентации представляет собой пример следящей системы с отрицательной обратной связью. Действительно, при отличии положения спутника от желаемого система генерирует сигнал разбаланса, который после усиления подается на двигательную установку, и таким образом, положение спутника в пространстве корректируется. Сигнал разбаланса при этом исчезает.

  Итак, самое главное - получение информации о положении спутника в пространстве. В связи с этим рассмотрим более подробно систему магнитной ориентации спутника. Она представляет собой своеобразный "космический компас" и состоит из трех взаимно перпендикулярных датчиков магнитного поля. Векторное сложение составляющих магнитного поля дает величину и направление общего магнитного поля. Датчики постоянного магнитного поля носят название феррозонды.

 Рассмотрим устройство феррозонда (рис.28.2).Его основной частью являются два ферритовых стержня, строго параллельные друг другу.  Вокруг   каждого стержня намотаны две абсолютно одинаковые катушки L1 и L2. Катушки соединены последовательно. На них подается стабилизированное переменное напряжение. Вокруг обоих стержней намотана катушка L3. Таким образом, феррорзонд представляет собой своеобразный трансформатор с первичной обмоткой L1+L2 и вторичной обмоткой L3.

В отсутствие внешнего магнитного поля наведенное напряжение во вторичной обмотке равно нулю, так как магнитные поля, возникающие при подаче тока вокруг катушек L1 и L2 равны по величине и противоположны по направлению. Если же существует внешнее магнитное поле, то оно складывается с полями, создаваемыми катушками L1 и L2. Возникает разностное магнитное поле, изменяющееся с частотой

возбуждающего сигнала (около 1000 Гц). Следовательно, в катушке L3 возникает наведенное напряжение, амплитуда которого пропорциональна величине внешнего поля, а фаза определяется его направлением. В дальнейшем сигнал усиливается и анализируется. Векторное сложение трех сигналов, полученных с трех взаимно перпендикулярных феррозондов, дают общую величину магнитного поля.

    Теперь рассмотрим в общих чертах устройство бортового информационно-измерительного комплекса (БИИК). Он снабжен запоминающим устройством (ЗУ), которое записывает всю информацию, поступающую с датчиков. Затем информация передается на Землю.

    Коммутирующее устройство подключает датчики к ЗУ поочередно. Предусмотрена возможность непосредственной передачи на Землю сигналов с датчиков, без записи в ЗУ. Перед передачей на Землю или записью в ЗУ сигналы с датчиков преобразуются к виду, удобному для записи. Это делают блоки преобразования.

    Основная информация, даваемая метеорологическими  спутниками - получение изображения земной поверхности. На основании телевизионного изображения можно наглядно представить себе метеорологическую ситуацию в обширном регионе. Тем не менее спутники оснащены и другими датчиками - инфракрасными радиометрами, актинометрическим датчиками и т.п.