Методическое пособие 742

из-за турбулентных процессов - все эти процессы сопровождаются разделением электрических зарядов, формированием заряженных областей в облаке, разрядными явлениями. На основе регистрации этих процессов можно контролировать местоположение потенциально опасного метеообразования, тенденцию и стадию его развития. Для обнаружения опасных гидрометеоявлений в атмосфере в России широко используются метеорадиолокаторы типа МРЛ-5 или ДМРЛ-С [1]. Метеорологические радиолокаторы дают возможность локализовать грозовые образования радиолокационными методами по отражениям излучаемых ими зондирующих сигналов от облаков. Кучево-дождевые облака, сопровождающиеся ливнями и грозами, достаточно хорошо обнаруживаются на расстояниях до 150 км, имеется возможность наблюдения площадей, занятых такими облаками и их перемещений. По данным таких наблюдений составляются карты радиолокационной информации. Однако при радиолокационных наблюдениях наличие электрических разрядов в очаге облачности определяется только по косвенным аэрологическим данным о структуре и развитии облаков. При этом могут возникать трудности с идентефикацией ливневых и грозовых облаков, то есть получаемая от МРЛ информация не является адекватной. Для трактовки информации МРЛ требуется участие метеоперсонала, что сильно замедляет и усложняет получение необходимых данных. Сами радиолокаторы весьма дороги. Используемые в настоящее время МРЛ недостоверно распознают грозовые облака по косвенным вероятностным критериям, базирующимся на измерениях ряда параметров радиоэха облаков, что связано с тем, что МРЛ не способны обнаруживать молнии, являющиеся основными признаками принадлежности облака к грозовым. Следствиями перечисленных недостатков являются низкая оперативность и недостаточная полнота информации, получаемой в результате наблюдений. В существующих условиях необходимо повышение оперативности, полноты и адекватности информации о грозовых очагах на больших территориях земной поверхности, где выполняются оперативные задачи ВС РФ. Не менее важной задачей является снижение затрат, расходуемых на получение информации о грозах. Анализ характеристик грозопеленгаторов зарубежного производства представлен в табл. 2.

Таблица 2

Характеристики грозопеленгаторов зарубежного производства

Во всех развитых зарубежных государствах имеется грозорегистрационная сеть, обладающая необходимыми качествами. Для целей пеленгации гроз используются две пеленгационные системы: широкополосная пеленгационная система, выпускаемая фирмой «LLP», и разностно-дальномерная система LPATS, выпускаемая фирмой Vaisala. Проведенный анализ показывает, что разностно-дальномерная система местоопределения разрядов молнии (типа LPATS) надежнее, чем пеленгационная (типа LLP) и на большой территории и с разнообразием рельефа она будет работать надежнее. Вместе с тем точность определения координат грозовых разрядов, предлагаемая этими системами, не совсем отвечает требованиям

91

практики. Не решают они задачи оценки эволюции опасных явлений погоды на основе информации о молниевой активности. В России получили реализацию лишь однопунктные системы местоопределения грозовых очагов - это грозопеленгаторы-дальномеры типа «Очаг2П». Обладая определенными достоинствами, такие изделия имеют большие погрешности измерений и ограниченную дальность.

Поэтому целью исследования явилось повышение эффективности пространственного мониторинга молниеопасных метеорологических объектов на основе предлагаемой системы грозопеленгации. В настоящее время получили распространение следующие методы местоопределения гроз: пеленгационный, дальномерный, разностно-пеленгационный, разностнодальномерный [2, 3]. Каждый из них обладает своими преимуществами и недостатками. Проведенный анализ способов позволил выявить наиболее эффективный для решения задачи местоопределения грозовых разрядов (ГР). Это способ - разностно-пеленгационный, суть которого состоит в использовании нескольких приемников электромагнитного сигнала в очень низком диапазоне длин волн, измерении разности времени прихода сигнала на приемники, вычислении азимута и координат точки принадлежащей линии пеленга грозового разряда

[3].

Таким образом, низкая точность определения местоположения разряда, высокая стоимость, малая дальность регистрации делает эти системы неэффективными при использовании в целях обеспечения безопасности полетов авиации и другого потребителя метеоинформации. Эти факты требуют разработки недорогой, надежной и эффективной системы грозопеленгации.

Предлагаемая модель основана на модификации способа, предложенного в [2], и заключается в следующем. При приеме сигнала тремя антеннами, образующими две пары произвольных измерительных, осуществляют измерение разностей времен прихода сигнала от грозового разряда (ГР) на антенны, затем вычисляют:

- значения разностей дальностей от ГР до пар точек {А,С} и {В,С}, в которых размещены приемные станции:

динаты {хf,yf} точки F, принадлежащей линии пеленга ГР, с использованием выражений:

(3)

где Такой подход позволяет определять только направление источника грозового разряда,

92

а)

б)

Рис. 2. Внешний вид системы пространственного мониторинга молниеопасных метеорологических объектов а) и программная реализация предлагаемого метода б)

Проведенные расчеты для системы, состоящей из четырех пеленгаторов, показали, что площадь, в пределах которой среднеквадратическая ошибка определения координат ГР уменьшается в 1,2-1,5 раза по сравнению с известными. Можно ожидать, что использование предлагаемого метода позволит повысить эффективность действующих и вводимых в эксплуатацию систем грозопеленгации.

Литература

1.Билетов М.В., Кузнецов И.Е., Тищенко А.И. Основы радиолокационной метеорологии / М.В. Билетов, И.Е. Кузнецов, А.И. Тищенко А.И. - М.: Воениздат, 2008. - 325 с.

2.Сайбель А.Г. Разностно-дальномерный способ пеленгования источника радиоизлучения и реализующее его устройство /А.Г. Сайбель. - Патент на изобретение РФ № 2204145 от 10.05.2003.

3.Кононов Я.Я., Петренко И.В., Снегуров В.С. Радиотехнические методы местоопределения грозовых очагов /И.И. Кононов, И.А. Петренко, В.С. Снегуров; Гл. геофиз. обсерватория им. А.И. Воейкова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 222 с.

4.Ростовцев Ю.Г. Основы построения автоматизированных систем сбора и обработки информации: учебник / Ю.Г. Ростовцев. - СПб.: Военная космическая академия им. А.Ф. Можайского, 1992. - 717 с.

ФГКВОУ ВПО «Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военновоздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)

I.E. Kuznetsov, A.S. Belinskuy

94

SCIENTIFIC AND METHODOLOGICAL ASPECTS OF SPATIAL MONITORING

MANEABAN METEOROLOGICAL OBJECTS

In article the technology of construction of system for localization maneaban objects based on their characteristics of electromagnetic radiation

Key words: groepelingen, storm centers, radar stations, dangerous mediaobrazovanie

Federal State Official Military Educational Institution of Higher Professional Education Military Educational Research Centre of Air Force «Air Force Academy named after professor

N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin» (Voronezh)

УДК 501.508

Д.В. Булгин, И.Е. Кузнецов, С.В. Слащев, В.А. Маслов

НАУЧНО МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ УЧЁТА ВЛИЯНИЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЛАЗЕРНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ ПРИБОРОВ

В статье предлагается методика оценки влияния метеорологических условий на применение бортовых лазерных систем, решающих задачи локации и навигации

Ключевые слова: бортовые лазерные системы, метеорологические условия, коэффициент прозрачности атмосферы, интенсивность осадков, водность облаков

Актуальность исследования влияния метеоусловий на использование бортовых лазерных систем обусловлена тем, что современные воздушные суда оснащены большим количеством оп- тико-электронных средств. Совокупность этих средств образует бортовые лазерные системы, которые в зависимости от решаемых задач подразделяются на: бортовые лазерные локационные системы (ЛЛС) и бортовые лазерные навигационные системы (ЛНС). Успешность решения задач этими системами в сильной степени зависит от метеоусловий. Данная зависимость объясняется тем, что при распространении в атмосфере электромагнитного излучения оптического диапазона (длины волн 0,1-20 мкм) наблюдается наибольшее количество явлений взаимодействия с атмосферой как средой распространения [1, 2]. Необходимо отметить, что степень влияния метеоусловий на успешность применения лазерных систем существенным образом зависит от длины волн излучения лазеров. В работе рассматривается влияние метеоусловий только на ослабление энергии излучения и его рефракцию, так как влияние метеоусловий на эти эффекты наиболее существенно и не может быть уменьшено за счет технических решений, используемых в лазерных системах.

Целью работы является повышение эффективности метеорологического обеспечения авиации путем оценки и учета влияния метеоусловий на получаемую ЛЛС информацию и возможности прогнозирования этих условий.

В качестве информационных показателей функционирования ЛЛС в работе приняты дальность действия и надежность получения информации. Для определения влияния метеоусловий на дальность действия ЛЛС будем сравнивать дальность действия ЛЛС в «чистой» атмосфере и атмосфере замутненной. Под «чистой» атмосферой будем понимать атмосферу, в которой отсутствуют такие явления как туманы, дымки, облака и осадки. Под замутненной атмосферой будем понимать атмосферу, содержащую рассматриваемые явления. В качестве дальности действия ЛЛС в замутненной атмосфере будем считать ту дальность, при которой энергия отраженного света будет равна энергии отраженного света при «чистой» атмосфере. Для оценки влияния метеоусловий на дальность действия ЛЛС используем оптико-

где П - параметр характеризующий технические данные ЛЛС; Епр - энергия отраженного све-

95

та на входе приемника ЛЛС; χ - коэффициент, характеризующий отражательные свойства цели; R0 и τпр0 - дальность действия ЛЛС в «чистой» атмосфере и коэффициент ее прозрачности.

где К = R0/(ηпр0)R0; τпр= τпр0 + τя - коэффициент прозрачности атмосферы, содержащей метеоявления; τя - коэффициент прозрачности явления (тумана, дымки, облаков, осадков).

Для определения R при наличии тумана, дымки, облаков и осадков необходимо рассчитать следующие зависимости:

где τпрТ, τпрД, τпрОбл, τпрОс - коэффициенты прозрачности тумана, дымки, облаков и осадков соответственно, для лучей света излучаемого ЛЛС; λ - длина волн излучаемого света.

Для определения коэффициента прозрачности атмосферы длины волн принимались при расчетах равными 0.55 мкм, 0.69 мкм, 1.06 мкм, так как это длины волн наиболее широко используемых твердотельных лазеров. Результаты расчетов представлены в табл. 1-2.

Таблица 1 Зависимость коэффициентов прозрачности в туманах и дымках от метеорологической

дальности видимости в них

Используя приведенные в табл. 1, 2 результаты расчета коэффициентов прозрачности атмосферы для различных длин волн света, излучаемого ЛЛС, была проведена оценка влияния метеоусловий на уменьшение дальности действия ЛЛС. Для нахождения дальности действия R ЛЛС в различных метеоусловиях использовалось уравнение:

96

При расчетах было принято R0 =10 км, значения ηпр0 находилось для рассматриваемых длин волн 0.55 мкм, 0.69 мкм, 1.06 мкм, используя оптическую модель континентального аэрозоля [3]. Результаты оценки влияния метеоусловий на уменьшение дальности действия ЛЛС приведены в табл. 3. Пороговыми значениями метеоусловий для применения ЛЛС будем считать метеоусловия, при которых дальность действия ЛЛС будет иметь минимально допустимое значение. Обозначим эту дальность действия Rmin. Пусть эта дальность действия связана с дальностью действия ЛЛС в «чистой» атмосфере R0 соотношением:

где К - допустимый коэффициент уменьшения дальности действия ЛЛС (К<1).

Тогда коэффициент прозрачности атмосферы, при котором выполняется условие (7) может быть найден из уравнения:

Подставляя в (8) соотношение (7) получим:

97

Прологарифмируем (10) по основанию натурального логарифма и учтя, что τ=е-γ, получим уравнение:

где γя - удельный коэффициент ослабления света в ожидаемом метеоявлении.

Найденные из уравнения (13) значения γя назовем критериальными и обозначим γяк. Теперь, если ожидаемое явление дымки или туманы, то критериальным значением метеорологической дальности видимости Smк в них будет значение, найденное из уравнения:

Если ожидаемое явление осадки, то критериальное значение их интенсивности Iкр нахо-

При всех S < Smк и при всех I > Iкр применение ЛЛС, имеющих дальность действия R0 и допустимый коэффициент уменьшения дальности действия К, считается нецелесообразным при данных метеоусловиях. Применение данной методики проиллюстрировано на примере климатического описания г. Воронежа. Для определения Smк и Iкр принимались следующие значения:

R0 = 10 км; К = 0.5; γ0 = 1; для λ = 1.06 мкм γ0 = 0.45; для λ = 0.69 мкм γ0 = 0.76; для λ = 0.55 мкм γ0

= 1. Для приведенных значений были получены значения Smк и Iкр для трех рассматриваемых длин волн, которые приведены в табл. 4.

Таблица 4 Пороговые значения метеорологической дальности видимости при различных длинах световой

волны

Таким образом, полученные в работе результаты свидетельствуют о необходимости учета метеорологических условий для оптимального принятия решений на применение бортовых лазерных систем

Литература

1.Воробьев В.И. Оптическая локация для радиоинженеров / В.И. Воробьев. - М.: Издво «Радио и связь», 1983. - 176 с.

2.Матвеев Л.Т. Физика атмосферы: учеб для студентов вузов / Л.Т. Матвеев. - СПб.: Гидро-

метиздат, 2000. - 778 с.

3.Седунов Ю.С. Атмосфера. Справочник / Ю.С. Седунов. - Л.: Гидрометиздат, 1991. - 511

с.

ФГКВОУ ВПО «Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-

98

воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)

I.E. Kuznetsov, D.V. Bulgin, S.V. Slashev, V.A. Maslov

SCIENTIFIC AND METHODOLOGICAL ASPECTS ACCOUNT FOR THE EFFECT OF METEOROLOGICAL CONDITIONS WHEN USING A LASER NAVIGATION DE-

VICES

The paper proposes a methodology for assessing the impact of meteorological conditions on the use of airborne laser systems, solving the problems of location and navigation

Key words: airborne laser system, meteorological conditions, the transparency coefficient of the atmosphere, the intensity of precipitation, water content of clouds

Federal State Official Military Educational Institution of Higher Professional Education Military Educational Research Centre of Air Force «Air Force Academy named after professor

N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin» (Voronezh)

УДК 501.508

И.Е. Кузнецов, Д.В. Булгин, С.В. Слащев, А.С. Репников

НАУЧНО - МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ УЧЁТА ВЛИЯНИЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ НАВИГАЦИОННЫХ ПРИБОРОВ

В статье предлагается методика оценки влияния метеорологических условий на применение бортовых радиолокационных систем, решающих задачи локации и навигации

Ключевые слова: бортовые радиолокационные системы, метеорологические условия, коэффициент прозрачности атмосферы, интенсивность осадков, водность облаков

Новейшие образцы авиационной техники в процессе их применения требуют всестороннего и детального учета гидрометеорологических условий (ГМУ). Оснащение новых типов воздушных судов аппаратурой, использующей лазерные, инфракрасные, телевизионные и оптико-электронные средства, значительно повысило их возможности. Однако это сопровождается повышением требований к оценке и учету ГМУ при планировании использования авиации. В этом проявляется одна из объективных закономерностей развития авиационных средств: создание и принятие на снабжение новых образцов авиационной техники приводит к усилению влияния ГМУ [1-8].

Свойства бортовых систем обнаружения наиболее полно оцениваются по их характеристикам, которые представляют собой зависимость вероятности правильного обнаружения от величины отношения энергии сигнала, отраженного от объекта, на входе бортовой радиолокационной станции (БРЛС) и спектральной плотности шумов.

Определим характеристики обнаружения для оптимального устройства обнаружения объекта. Параметр правильного обнаружения цели q 2 - это отношение удвоенной энергии принимаемого сигнала и спектральной плотности шумовых помех:

В случае работы БРЛС в идеальных условиях имеет место соотношение:

В формуле (2) значение энергии отраженного от цели зондирующего сигнала Е определяется формулой (1) при условии идеальной атмосферы. При отклонениях от идеальных условий обнаружения (наличие гидрометеоров) необходимо выяснить, во сколько раз увеличивается требуемая энергия сигнала, отраженного от цели, по сравнению с эталонными ус-

99