Методика оценивания пригодности участка для размещения оптико-электронного комплекса по показателю "Астроклимат" Текст научной статьи по специальности «Экономика и бизнес»

УДК 528.013.4

МЕТОДИКА ОЦЕНИВАНИЯ ПРИГОДНОСТИ УЧАСТКА ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО КОМПЛЕКСА ПО ПОКАЗАТЕЛЮ «АСТРОКЛИМАТ»

П.А. Грушковский, Р.А. Ситков

В статье рассмотрены вопросы выбора земельных участков для размещения оптических средств наблюдения за космической обстановкой. Приведена методика оценивания предполагаемых мест дислокации оптикоэлектронных комплексов по показателю «Астроклимат». Представлен пример практического использования разработанной методики.

Ключевые слова: рекогносцировочные изыскания, земельный участок, астроклимат, качество, прозрачность атмосферы, засветка, аэрозоль.

При выборе участков для размещения оптико-электронных комплексов (ОЭК) одной из основных задач является оценка местных астро-климатических условий. Качественное решение данной задачи требует проведения многолетних прямых оптических наблюдений [1]. Например, при поиске места для размещения Большого телескопа азимутального (БТА) на Северном Кавказе астрономические экспедиции выезжали на места предполагаемого расположения БТА на протяжении нескольких лет, при этом измерения астроклимата на каждой из точек выполнялись непрерывно в течении от 1 до 4 месяцев. Общая продолжительность работ по выбору места для размещения БТА составила 8 лет [2].

Практика участия в рекогносцировочных изысканиях по выбору мест размещения ОЭК и показывает, что время, отводимое на их проведение весьма ограничено (на непосредственное обследование участков отводится до 1 недели), что очевидно совершенно недостаточно для решения такого рода задачи. В этих условиях представляется целесообразным выполнять упрощённую косвенную оценку астроклиматических условий по имеющимся статистическим данным. Методика такого оценивания представлена в данной статье.

В соответствии с квалиметрическим подходом оценивание пригодности участков при проведении рекогносцировочных изысканий (РИ) для размещения объектов космических войск предлагается проводить по совокупности показателей качества (ПК), которые сведены в три основные группы: ограничения, качество и затраты.

Рассмотрим подробнее групповой ПК «Качество», структура которого применительно к ОЭК представлена на рис.1. Данный показатель содержит показатели нижестоящего уровня:

функциональная пригодность;

социально-бытовые и культурно досуговые показатели;

показатели безопасности;

транспортная доступность.

Главным среди них является групповой ПК «Функциональная пригодность», что отражено его нормированным весовым коэффициентом ^2.6 = 0,31 (наибольшим из всех показателей этой группы).

№1.2 W=0,54

КАЧЕСТВО

№ 2.6 W=0,31

Показатели функциональной пригодности

№ 2.7

W=0,19

Социально-бытовые и кул ьтур но-досу го вы е показтели

W=0,25

Показатели безопасности

W=0,25

Транспортная доступность

W=0,5

Астроклимат

№4.0.1 W=0,5

Засветка

W=0,5

Наблюдаемый сектор орбиты

Ка чество изображения

№4.0.3 W=0,3

Облачность

Прозрачность атмосферы

Скорость ветра

Рис. 1. Структура «Показателя функциональной пригодности» участка для размещения оптических средств

Показатель «Функциональная пригодность» в свою очередь является групповым и образован показателями «Астроклимат» и «Наблюдаемый сектор орбиты». В силу ограниченного объёма статьи рассмотрим подробнее только один (и самый сложно оцениваемый из них) показатель качества «Астроклимат».

Астроклимат в целом определяется следующими основными факторами:

качество изображения наблюдаемых объектов (оцениваемый показатель «Качество изображения»);

погодные условия в районе размещения оптического средства (показатель «Облачность»);

световое загрязнение местности (показатель «Засветка»), Рассмотрим данные факторы подробнее.

Показатель «Качество изображения» является групповым ПК и включает в себя следующие показатели: прозрачность атмосферы; скорость ветра.

Показатель качества «Прозрачность атмосферы», характеризует способность земной атмосферы пропускать направленное излучение. По своему физическому смыслу он означает то, насколько сильно свет от

265

наблюдаемых космических объектов рассеивается и поглощается на молекулах газов, образующих атмосферу, а также на аэрозолях (вода, сажа, пыль и др. частицы), которые постоянно в ней присутствуют.

Известно, что с ростом высоты атмосфера разряжается, количество молекул и аэрозолей в ней уменьшается, условия наблюдения улучшаются. Зависимость концентрации аэрозоля от высоты носит сложный характер, однако известно, что основное ослабление излучения происходит в самых нижних слоях атмосферы, так, например, на высоте более 1500 м над уровнем моря коэффициент экстинкции (характеризующий прозрачность атмосферы) на порядок меньше, чем на уровне моря [3]. Поэтому многие современные оптические средства расположены в горах на высотах от 2000 м до 3500 м.

При проведении РИ упрощённую косвенную оценку ПК «Прозрачность атмосферы» КПА[ целесообразно проводить, отталкиваясь от высоты рассматриваемого участка над поверхностью моря, по формуле (1).

- 7гЧ (1)

Пэт

где Я; - высота -го участка над уровнем моря; Нэт - наилучшее реально достигнутое значение данного показателя для РФ, в качестве такого эталона выступает высота Горной астрономической станции ГАО НЭТ = 2070 м.

Помимо прозрачности атмосферы качество изображения зависит от турбулентности воздушных потоков в луче зрения [4]. Турбулентность в основном определяется скоростью ветра, она приводит к дрожанию изображения и снижению его качества. Уже при скорости ветра 7-9 м/с изображения наблюдаемых объектов значительно ухудшаются. При значительных скоростях ветра к дрожащему изображению добавляется вибрация телескопа, что также сказывается на качестве проводимого наблюдения. При скорости 10 м/с, например, наблюдения на БТА запрещены [2].

Оценивание ПК «Скорость ветра» КСВ[ производится по следующей формуле:

К - Убп\

где У[ - среднегодовая скорость ветра для ьго участка, м/с; У5р - браковочное значение среднегодовой скорости ветра, м/с; Уэт - эталонное значение среднегодовой скорости ветра, м/с.

В качестве браковочного значения скорости ветра выберем У5р = 10 м/с, т.е. значение 7бр для БТА. Для конкретных оптических средств данное значение может уточняться и должно быть указано в эксплуатационной документации на изделие.

В качестве эталонного зададим значение скорости ветра Уэт = 0,3 м/с, (метеорологическая станция Нерой - Восточная Сибирь, координаты 54°28' >1, 97°50' Е, высота 798 м) [1], наилучшее значение для Российской Федерации.

Значения среднегодовой скорости ветра Ц для оцениваемых участков определяются на основе статистических данных ближайшей к данному участку метеостанции по данным за год, предшествующий проведению РИ.

Оценивание показателя «Качество изображения» выполняется по формуле (3).

К-кш - ^гш^ПА; + КСвМ:т (3)

где ~ оценка показателя качества «Прозрачность атмосферы»; Ксв[ -оценка показателя качества «Скорость ветра»; УУПА[ - вес показателя качества «Прозрачность атмосферы», Шим = 0,5; Шсы - вес показателя качества «Скорость ветра», Шсы = 0,5.

Облачность - совокупность облаков, наблюдаемых в определенном месте (пункте или территории) в выбранный момент или период времени. Облачность прямо определяет возможность проведения наблюдений космических объектов.

Количество облаков - степень покрытия неба облаками (в определенный момент или в среднем за некоторый промежуток времени), выраженная в десятибалльной шкале или в процентах покрытия неба.

Количественная оценка участка по показателю «Облачность» осуществляется по формуле (4)

где - среднегодовая облачность для 1 -го участка, м/с; /?бр - браковочное значение среднегодовой облачности, %; ЯЭТ - эталонное значение среднегодовой облачности, %.

Значение облачности для каждого из участков вычисляется как среднее по месяцам, за год предшествующий проведению РИ, данные берутся с ближайшей метеостанции.

В качестве браковочного выбрано среднегодовое значение облачности, при котором наблюдения космических объектов проводить невозможно /?бр = 75, а в качестве эталонного значение Яэт = 30Д5 (наилучшее для Российской Федерации).

Световое загрязнение местности «Засветка» неба имеет две составляющие: естественную и искусственную.

Естественное свечение неба складывается из суммарного свечения всех космических объектов и свечения земной атмосферы. Уровень естественной засветки в населённых пунктах и за их пределами одинаков.

Искусственная засветка делится на общую и местную.

Общая засветка представляет собой суммарное свечение всех городских, промышленных, транспортных и иных источников света, рассеянное на аэрозолях и молекулах воздуха.

Местная засветка — это близлежащие фонари, прожектора, окна домов, промышленных объектов, фары автомобилей при наличии вблизи участка автомобильных дорог общего пользования. Вклад подобных ис-

267

точников в общую засветку незначителен, однако из-за близости к наблюдателю освещённость от них существенна, хотя и локализована в направлении на источник света.

При проведении РИ по выбору участка для размещения оптических средств оценивание общей засветки участка необходимо производить на подготовительном этапе, а наличие источников местной засветки на основном этапе (при непосредственном выезде на участки).

Значение уровня общей засветки для ¿-го участка С^ может определяться либо по накопленным статистическим данным (что малореализуемо на практике), либо по данным специализированных сайтов www.lightpollutionmap.info или www.cires.colorado.edu.

При использовании карт светового загрязнении с сайта www.lightpollutionmap.info значения приблизительной общей яркости неба в легенде карты (выделено красным прямоугольником на рис.2) пересчи-тываются в оценку светового загрязнения по формуле (5).

K3i =

С op Q С бр ~

(5)

где С^ - значение приблизительной общей яркости неба для I -го участка; Сэт - эталонное (наименьшее) значение приблизительной общей яркости неба, Сэт = ОД76, тсй/т2; Сф - браковочное значение приблизительной общей яркости неба (при котором оптическое наблюдение космических объектов невозможно или нецелесообразно), Сф = 1,515 тсА/т2

Рис. 2. Пример определения светового загрязнения по данным сайта

www. lishtvollutionmav. info

Правильное назначение браковочного значения приблизительной общей яркости неба Сф очень важно, из-за большой чувствительности ПК «Засветка» K3i к нему.

Таблица 1

Шкала оценки светового загрязнения местности K3i при различных значениях Сбр

Приблизительная общая яркость С, mcd/m2 Оценка показателя «Засветка» К3 в зависимости от значения Сбр

^Збр2 ^збрз ^Збр4 ^Збр5

0,176 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000

0,1765 0,988 0,997 0,999 1,000 1,000

0,179 0,925 0,982 0,995 0,999 1,000

Окончание таблицы 1

Приблизительная общая яркость С, mcd/m2 Оценка показателя «Засветка» К3 в зависимости от значения Сбр

^Збр1 ^Збр2 ^збрз ^Збр4 ^Збр5

0,1845 0,788 0,948 0,987 0,997 0,999

0,195 0,525 0,885 0,971 0,993 0,997

0,216 0,000 0,758 0,940 0,985 0,994

0,2575 0,000 0,506 0,878 0,970 0,989

Приблизительная общая яркость С, mcd/m2 Оценка показателя «Засветка» К3 в зависимости от значения Сбр

^Збр1 ^Збр2 ^збрз ^Збр4 ^Збр5

0,341 0,000 0,000 0,752 0,938 0,977

0,508 0,000 0,000 0,502 0,876 0,953

0,842 0,000 0,000 0,000 0,751 0,907

1,515 0,000 0,000 0,000 0,499 0,812

2,85 0,000 0,000 0,000 0,000 0,625

5,52 0,000 0,000 0,000 0,000 0,250

7,3 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000

Браковочные значения ПК «Засветка», Сбр 0,216 0,341 0,842 2,85 7,3

Графически зависимость показателя «Засветка» К3 при различных значениях Сбр представлена на рис. 3.

1,200

1,100 1,000 0,900 0,800 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000

0,176 0,1765 0,179 0,1845 0,195 0,216 0,2575 0,341 0,508 0,842 1,515 2,85 5,52 7,3

Рис. 3 Значение показателя «Засветка»

Итоговое оценивание участков по показателю качества «Астроклимат» осуществляется по формуле (6).

К.иа = Ккш Щ<„ + К(Л Ш0 + К31Щ (6)

где КШ1 - показатель «Качество изображения»; К01 - показатель «Облачность»; К31 - показатель «Засветка»; У\/КП - вес показателя «Качество изображения», Щ = 0,2; Ш0 - вес показателя «Облачность», Ш3 = 0,3; Ш3 - вес показателя «Засветка», Ш3 = 0,5.

Пример. Проиллюстрируем применение представленной методики на примере участков из табл.2.

Таблица 2

Участки, выбранные для примера расчёта показателя

«А строклимат»

№ п/п Участок местности Координаты (с. ш; в. д.) Примечание

1 пос. Пулково (г. Санкт-Петербург) 59,4618; 30,1933 Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория

2 пгт. Научный (респ. Крым) 44,4335; 34,0045 Крымская астрофизическая обсерватория

3 г. Звенигород (Московская обл.) 55,4156; 36,4532 Звенигородская обсерватория Института Астрономии РАН

4 Красноярск (Красноярский край) 56,0043; 92,58,29 Обсерватория государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф.Решетнева

5 гор. Пастухова (Карачаево-Черкесская республика) 43,3848; 41,2625. Большой телескоп специальной астрофизической обсерватории РАН

При этом расчёт каждого из рассматриваемых показателей качества произведём для участка №1, результаты расчёта в целом по участкам представлены в табл.3.

Таблица 3

Результаты расчёта показателя «Астроклимат»

№ УМ Высота над уровнем моря, м Оценка ПК «Прозрачность атмосферы» Среднегодовая скорость ветра, м/с Оценка ПК «Скорость ветра» Среднегодовая облачность, % Оценка ПК «Облачность» Оценка ПК «Засветка» Оценка ПК "Качество изображения" Оценка по ПК «Астроклимат»

Ъ КпА'1 Ц К-сы к01 С; ^ки Каш

1 75 0,036 4,8 0,536 63,91 0,247 0 0,286 0

2 580 0,280 3,9 0,629 35,82 0,871 0,98 0,421 0,84

3 184 0,089 3,6 0,660 48,26 0,596 0,11 0,3745 0,31

4 160 0,077 2,6 0,763 54,83 0,452 0,37 0,352 0,39

5 2070 1,000 4,6 0,557 30,15 1,000 0,99 0,7785 0,95

Для того, чтобы перевести полученные количественные оценки показателя качества «Астроклимат» для выбранных участков в качественные можно воспользоваться вербально-числовой шкалой Харрингтона [5] (табл. 4).

Таблица 4

Вербально-числовая шкала Харрингтона

№ п/п Описательная интенсивность оцениваемого показателя Числовое значение

1 Очень высокая 0,8<А<1,0

2 Высокая 0,64<А<,8

3 Средняя 0,37<А<0,64

4 Низкая 0,2<А<0,37

5 Очень низкая 0,0<А<0,2

Используя табл. 4 можно интерпретировать результаты расчёта, представленные в табл. 3, т.е. соответствие рассмотренных участков требованиям, предъявляемым к размещению ОЭК по показателю «Астроклимат», следующим образом:

- участок №1 очень плохое;

- участок №3, №4 плохое;

- участок №4 плохое;

- участок №2, №5 очень хорошее.

Из результатов расчёта видно, что оптимальным для размещения ОЭК по показателю «Астроклимат» является участок №5 (гор. Пастухова), его и следует рассматривать в качестве основного варианта. На втором месте следует участок №2 (пгт. Научный), он должен рассматриваться в качестве резервного варианта.

Выводы.

Представленная в статье «Методика оценивания пригодности участка для размещения оптико-электронного комплекса по ПК «Астроклимат» позволяет производить упрощённое оценивание участков по данному показателю при проведении рекогносцировочных изысканий.

Достоинством методики является возможность выполнения расчётов, на основе открытых данных, доступных без непосредственного выезда на участки и не требующих проведения длительных наблюдений.

Использование методики не отменяет необходимости выезда на участки признанные наиболее подходящими по результатам расчёта, т.к. она не учитывает, как наличия местной засветки, так и ряда других факторов, учитываемых при выборе места размещения объекта. Однако её применение позволяет выявить участки, которые заведомо не подходят для размещения объекта.

Список литературы

1. Ковадло П.Г., Кочеткова О.С., Шиховцев А.Ю. Оптическая нестабильность земной атмосферы южной части Восточной Сибири. Новосибирск.: Издательство СО РАН, 2011. Вып. 17. С. 80-85.

2. Панчук В.Е., Афанасьев В.Л. Астроклимат Северного Кавказа -мифы и реальность Астрофизический бюллетень, 2011. Том. 66. №2. С. 253-274.

3. Тимофеев Ю.М., Васильев А.В. Основы теоритической атмосферной оптики. Учебно-методическое пособие. СПб.: СПБГУ, 2007. 152 с.

4. Носов В.В., Григорьев В.М., Ковадло П.Г., Лукин В.П., Носов Е.В., Торгаев А.В. Практические рекомендации по выбору мест размещения наземных астрономических телескопов. Новосибирск: Издательство СО РАН, 2011. Вып. 18. С. 86-97.

5. Ситков Р.А., Щельников В.Н., Петрушин И.Е. Методика проведения экспертного опроса по оцениванию свойств и факторов, влияющих на качество и компетентность экспертов // Фундаментальные исследования, 2016. №11. С. 944-948.

Грушковский Павел Анатольевич, канд. техн. наук, начальник лаборатории (НИ) - старший научный сотрудник, vka-onramail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,

Ситков Роман Александрович, канд. техн. наук, начальник отдела (НИ), vka-onramail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского

METHODS OF ASSESSMENT OF SUITABILITY OF LAND TO ACCOMMODA TE THE OPTICALELEC TRONIC COMPLEX IN TERMS ASTROCLIMATE

P.A. Grushkovskii, R.A. Sitkov

The article deals with the selection of land plots for the placement of optical means of observation of the space situation. The method of estimation of the expected locations of optoelectronic complexes in terms of "Astroclimate "is given. The example of practical use of the developed technique is presented.

Key words: reconnaissance surveys, land, astroclimate, quality, transparency of the atmosphere, illumination, aerosol.

Grushkovskii Pavel Anatolievich, candidate of technical sciences, chief of scientific laboratory, [email protected], Russia, Saint-Peterburg, Mozhaisky Military Aero Space Academy,

Sitkov Roman Aleksandrovich, candidate of technical sciences, chief of scientific department, [email protected], Russia, Saint-Peterburg, Mozhaisky Military Aero Space Academy