Автономные измерительные комплексы для контроля природной среды на труднодоступных территориях

Введение ……………………………………………………………………… 5
1 Современный уровень развития технических средств контроля
состояния природной среды ……………………………………………….. 13
1.1 Автоматические метеорологические комплексы …………………… 14
1.1.1 Требования ВМО по контролю изменений стандартных и
дополнительных метеорологических величин ………………………… 14
1.1.2 Краткий обзор существующих метеорологических комплексов . 17
1.2 Аппаратура автоматизированного мониторинга и контроля
основных метеовеличин приземной атмосферы ……………………….. 21
1.2.1 Контроль температуры воздуха ………………………………….. 21
1.2.2 Контроль влажности воздуха ……………………………………… 23
1.2.3 Контроль атмосферного давления ………………………………… 24
1.2.4 Контроль скорости и направления ветра ………………………… 25
1.3 Аппаратура автоматизированного мониторинга и контроля
дополнительных метеорологических величин ………………………….. 27
1.3.1 Контроль высоты снежного покрова ……………………………… 27
1.3.2 Контроль профилей температуры грунтов, снега и льда ……….. 29
1.3.3 Методы и средства контроля потока солнечной радиации ……. 31
1.4 Бортовые автоматические метеостанции и системы ………………. 34
1.5 Требования к структуре автономных комплексов для контроля
природной среды с дополнительными возможностями ……………….. 35
1.6 Выводы по главе 1 …………………………………………………….. 38
2 Датчики и составные части приборов для контроля снежных и
ледовых покровов, почв и грунтов, солнечной радиации ……………… 40
2.1 Способ определения местоположения границы раздела двух сред
различной плотности, основанный на выявлении экстремума
производной в температурном профиле ………………………………… 40
2.2 Средства автоматизированного контроля температуры …………… 43
2.3 Датчик высоты снежного покрова, основанный на анализе
вертикального профиля температуры …………………………………… 44
2.4 Одноразовые датчики контроля высоты снежного покрова,
применяемые для оценки лавинной опасности …………………………. 49
2.5 Автоматический регистратор таяния ледников Куракова …………. 51
2.6 Температурные зонды, предназначенные для непрерывного
контроля профиля температуры в почве и грунтах …………………….. 54
2.7 Метрологическое обеспечение датчиков температуры ……………. 62
2.8 Контроль уровня воды …………………………………………….….. 65
2.9 Контроль потока солнечной радиации ………………………………. 69
2.10 Выводы по главе 2 ……………………………………………………. 73
3 Беспилотный регистратор пространственного распределения полей
метеорологических величин в пограничном слое атмосферы ………… 76
3.1 Методы и технические средства получения информации о
пространственном распределении полей метеовеличин в пограничном
слое атмосферы ……………………………………………………………. 76
3.2 Способы определения усредненных значений скорости и
направления ветра с использованием аэродинамических
характеристик БПЛА ……………………………………………………… 77
3.2.1 Способ определения скорости и направления ветра на заданной
высоте путем отслеживания траектории БПЛА под действием ветра .. 77
3.2.2 Способ определения усредненного вектора скорости ветра по
наклону вектора тяги БПЛА …………………………………………….. 79
3.3 Общие требования к метеодатчикам, устанавливаемым на БПЛА
для контроля температуры, давления и влажности в АПС ……………. 81
3.3.1 Датчики для контроля температуры воздуха ……………………. 81
3.3.2 Датчик для контроля влажности воздуха ………………………… 83
3.3.3 Датчик для контроля атмосферного давления …………………… 84
3.3.4 Требования к конструкции портативной метеостанции ………… 85
3.3.5 Требования к авианесущей платформе …………………………… 86
3.4 Экспериментальный образец портативной электронной
метеостанции – ПЭМС-БПЛА ……………………………………………. 88
3.4.1 Составные части ПЭМС-БПЛА…………………………………… 88
3.4.2 Натурные испытания ПЭМС-БПЛА и их результаты ………….. 96
3.5 Выводы по главе 3 ……………………………………………………. 100
4 Атмосферно-почвенный измерительный комплекс АПИК ………… 102
4.1 Базовая конструкция атмосферно-почвенного измерительного
комплекса АПИК ………………………………………………………….. 102
4.2 Программное обеспечение АПИК …………………………………… 107
4.2.1 Структура АПИК …………………………………………………… 107
4.2.2 Алгоритм работы контроллера-регистратора …………………… 108
4.2.3 Сервер и База данных ……………………………………………… 109
4.2.4 Клиентское приложение ………………………………………….. 110
4.3 Регистратор скрытой установки ……………………………………… 112
4.4 Автономный контроллер-регистратор как элемент сети
мониторинга ……………………………………………………………….. 115
4.5 Апробация и результаты применения автономных комплексов
контроля природной среды ……………………………………………… 117
4.6 Выводы по главе 4 ……………………………………………………. 122
Заключение …………………………………………………………………… 124
Перечень сокращений и обозначений ……………………………………. 127
Список литературы …………………………………………………………. 128
Приложение А. Копии полученных патентов …………………………… 145
Приложение Б. Проект руководства по эксплуатации ПЭМС-БПЛА . 156
Приложение В. Копия Акта испытаний экспериментального образца
ПЭМС-БПЛА ………………………………………………………………… 157
Приложение Г. Акты внедрения диссертационной работы …………… 163

1. Проведен обзор существующих датчиков для измерения стандартных и
дополнительных метеорологических величин и АМС, использующих эти датчики,
отмечены их недостатки, осложняющие работу АМС на труднодоступных
территориях и сформулированы цели и задачи диссертационной работы. Отмечено,
что создание автономных систем и датчиков текущей диагностики и контроля
состояния снежного и ледового покрова, текущего пространственного
распределения полей метеорологических величин в окрестности АМС, включая
атмосферу и грунтовые покровы, разработка способов построения аппаратуры для
непосредственной передачи измеренной информации по модемному или
спутниковому каналам связи для труднодоступных территорий является весьма
актуальной задачей.
2. Предложен датчик для контроля высоты снежного покрова, основанный на
анализе вертикального профиля температуры в воздухе и снежном покрове.
Созданный датчик в количестве более 50 шт. установлен на ряде наблюдательных
постов и метеостанций в качестве средства контроля.
3. Разработана и изготовлена конструкция одноразового датчика контроля
высоты снежного покрова, применяемого для оценки лавинной опасности.
Предложена методика использования такого датчика для оценки снегозапаса и
степени лавиной опасности на горных склонах.
4. Разработана и обоснована конструкция автоматического регистратора
таяния ледников Куракова на основе термокосы, в которой датчики температуры
расположены на равном расстоянии друг от друга и которые последовательно
соединены между собой гибким кабелем. Конструкция дает возможность
определения положения верхней границы ледяного покрова, обеспечивает
установку термокосы вертикально с упором в дно скважины, снижение
механических нагрузок на измерительный элемент (термокосу) за счет ее
автоматического складывания.
5. Создан комплект термозондов различного конструктивного исполнения,
предназначенных для непрерывного контроля вертикального профиля
температуры в почве и грунтах до глубины 500 см с различным пространственным
разрешением (минимальное разрешение 5 мм). Обосновано техническое решение
по выводу информации из термозонда и передаче ее в контроллер для уменьшения
теплопередачи по соединительному кабелю.
6. Разработан и изготовлен датчик уровня воды, который обеспечивает
оперативный контроль изменений уровня в широком диапазоне высот,
характерном для развития паводков и половодий.
7. Разработан и изготовлен экспериментальный образец блока контроля
потока падающей и отраженной солнечной радиации, который имеет два
измерительных модуля, ориентированных на 180 относительно друг друга.
Модуль контроля потока солнечной радиации имеет два зачернённых и два
блестящих алюминиевых сектора, температура которых регистрируется четырьмя
терморезисторами.
8. Теоретически и экспериментально показана возможность определения
усредненных значений скорости и направления ветра на заданной высоте путем
отслеживания траектории БПЛА коптерного типа под действием ветра с
использованием аэродинамических свойств БПЛА и навигационного
оборудования, входящего в его состав. Теоретически обоснован способ
определения усредненного вектора скорости ветра по наклону вектора тяги БПЛА.
9. Разработан и изготовлен экспериментальный образец портативной
электронной метеостанции ПЭМС-БПЛА, регистрирующей вертикальные
профили температуры, давления и относительной влажности атмосферного
воздуха, устанавливаемой на мультикоптере с передачей информации по
радиоканалу в on-line режиме. Проведены испытания экспериментального образца
в климатической камере, которые показали, что он обеспечивает контроль:
температуры воздуха в диапазоне от минус 50 до +55 С, с погрешностью ±0,3 С;
атмосферного давления в диапазоне от 500 до 1000 гПа, с погрешностью ±0,5 гПа;
относительной влажности воздуха в диапазоне от 5 до 100 %, с погрешностью 2,5
%. Проведены натурные испытания экспериментального образца ПЭМС-БПЛА по
регистрации вертикальных профилей этих метеорологических величин до высоты
2 км.
10. Разработана концепция и структурная схема базового атмосферно-
измерительного комплекса АПИК, включающего датчики для контроля изменения
стандартных метеорологических величин: температуры, влажности, атмосферного
давления, скорости и направления ветра. При этом использована оригинальная
конструкция совмещенного датчика температуры и влажности воздуха. АПИК
дополнен авторскими датчиками для контроля дополнительных величин: высоты
снежного покрова, солнечной радиации, профиля температуры грунта, уровня
воды, а также покупными датчиками: количества и интенсивности осадков,
влажности грунта и проводимости почвы.
11. Разработанный алгоритм работы контроллера-регистратора АПИК
обеспечивает с заданным периодом опрос цифровых и аналоговых датчиков,
сохранение полученных данных в энергонезависимой памяти (логгере) с привязкой
ко времени регистрации с помощью встроенного таймера. Связь для
конфигурирования работы и считывания данных на внешний сервер происходит
через GSM-модем, Wi-Fi модуль, спутниковый интернет или напрямую через
интерфейс USB. Для экономии энергии контроллер почти всё время находится в
спящем режиме. Для последующего использования метеорологической
информации, занесенной в базу данных сервера, разработано клиентское
приложение с соответствующим протоколом обмена данных.
12. Представлены результаты применения АПИК для климатических
исследований в районах Большого Васюганского болота, Красиловского озера
Алтайского края. Всего было разработано и изготовлено более 30 АПИК различных
конфигураций, которые эксплуатировались в различных климатических зонах
России от Белгородской до Магаданской областей и от Гыданского полуострова на
севере до Алтайских гор на юге.
Перечень сокращений и обозначений

АКЛ – автоматический контроллер-логгер
АКР – автоматический контроллер-регистратор
АМК – автоматизированный метеорологический комплекс
АМС – автоматическая метеорологическая станция
АПИК – атмосферно-почвенный измерительный комплекс
АПС – атмосферный пограничный слой
АЦП – аналого-цифровой преобразователь
БД – база данных
БИСР – блок измерения солнечной радиации
БПЛА – беспилотный летательный аппарат
ВМО – Всемирная метеорологическая организация
ИБ – измерительный блок
ИК – инфракрасный
МПО – мобильный персональный компьютер
ПК – персональный компьютер
ПНИ – прикладные научные исследования
ПНИЭР – прикладные научные исследования и экспериментальные разработки
ПО – программное обеспечение
ПЭМС – портативная электронная метеорологическая станция
СУБД – система управления базой данных
ФЦП – федеральная целевая программа
УФ – ультрафиолетовый