Врахування регіональних тропосферних затримок при супутникових спостереженнях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Врахування регіональних тропосферних затримок при супутникових спостереженнях

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Підвищення точності геодезичних вимірювань з метою визначення місцеположення об'єктів та опорних геодезичних мереж при розв'язанні задач геодезії та геодинаміки завжди були актуальними питаннями.

В даний час високоточні супутникові радіовіддалемірні системи, а особливо нові технології, які поєднують електронні тахеометри з супутниковими приймачами, мають здатність виконувати вимірювання з міліметровою точністю.

Проте, домінуючим фактором, який перешкоджає визначати положення об'єктів та опорних пунктів геодезичних мереж з високою точністю, є просторово-часова нерівномірність розповсюдження електромагнітних хвиль в атмосфері.

Визначенням поправок в супутникові вимірювання за рахунок впливу як атмосфери в цілому, так і тропосфери, присвячено цілий ряд наукових робіт, авторами яких є відомі вчені. Це, насамперед, вітчизняні вчені А. Островський, А. Прокопов, М. Миронов, П. Черняга, Ф. Заблоцький, Я. Костецька, Є. Ремаєв, Н. Каблак, Б. Паляниця, І. Торопа та інші, а також зарубіжні вчені В. Куштін, H. Hopfield, C. Chao, J. Saastamoinen, J. Marini, H. Black, J. Davis, I. Ifadis, A. Niell, V. Mendes та інші.

Для врахування впливу тропосфери на результати вимірювань розроблено цілий ряд математичних моделей за якими здійснюється опис параметрів тропосфери і виконуються розрахунки відповідних поправок (моделі Хопфілда, Саастамойнена, Блека тощо).

Основним недоліком цих моделей є те, що вони базуються на глобальних моделях розподілу метеорологічних параметрів і не дозволяють враховувати регіональні особливості тропосфери в момент проведення спостережень та використовувати результати вимірювань з супутників для траєкторій поширення радіохвиль, які наближені до горизонтальних.

Внаслідок цього виникла необхідність подальшого вдосконалення методів визначення поправок за тропосферу, які враховували б дійсний її стан на різних траєкторіях спостережень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема роботи відповідає Державній науково-технічній програмі розвитку топографо-геодезичної діяльності та національного картографування на 2003-2010 роки (Постанова Кабінету Міністрів України від 16.01.2003 р №37). Дослідження виконано згідно тематики науково-дослідних робіт Національного університету водного господарства та природокористування, кафедри землеустрою, геодезії та геоінформатики та галузевої науково-дослідної лабораторії геодинаміки та геоінформатики цього ж університету, зокрема - в рамках державної науково-технічної програми «Енергоефективні та ресурсозберігаючі технології генерування, перетворення та використання енергії» при роботах на геодинамічних полігонах в еколого-небезпечних районах (м. Кузнецовськ, АЕС) на основі Постанови Кабінету Міністрів України від 11.09.1995 р за №728 та від 28.06.1997 р за №669, при створенні спеціальної геодезичної мережі в районі Чорнобильської АЕС спільно з спеціалістами «Поліссягеодезкартографії», при виконанні широкого кола робіт за госпдоговірними тематиками Національного університету водного господарства та природокористування, де автор приймав особисту участь.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розв'язання науково-технічної проблеми підвищення точності результатів вимірювань супутниковими радіонавігаційними системами шляхом врахування значень метеорологічних параметрів за траєкторією проходження радіосигналу в районі виконання робіт при довільних значеннях зенітної віддалі.

Для досягнення цієї мети у роботі було поставлено та розв'язано такі основні задачі:

1. Дослідження існуючих методів і моделей врахування впливу тропосфери на супутникові виміри в радіодіапазоні;

2. Вдосконалення моделі тропосферної затримки, яка враховує значеннях метеорологічних параметрів тропосфери в окремому регіоні та при довільних значеннях зенітної віддалі;

3. Отримання оперативних та актуальних метеорологічних параметрів тропосфери для довільного регіону;

4. Введення поправок за тропосферну затримку безпосередньо в результати супутникових спостережень з перевіркою та оцінкою точності.

Об'єкт дослідження: тропосферна затримка радіосигналів супутникових радіонавігаційних систем.

Предмет дослідження: врахування впливу тропосферної затримки супутникових радіосигналів в окремому регіоні.

Методи дослідження базуються на використанні: теорії поширення електромагнітних хвиль, теорії рефракції, фізики атмосфери, чисельних математичних методів, спеціалізованого програмного забезпечення обробки результатів супутникових спостережень.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що в роботі представлена методика врахування тропосферних поправок при супутникових спостереженнях на різних траєкторіях з врахуванням регіональних метеорологічних параметрів тропосфери.

При цьому:

? вдосконалено модель тропосферної затримки, яка дає змогу врахувати регіональні метеорологічні параметри за траєкторією проходження радіосигналу від супутника при довільних значеннях зенітної віддалі;

? проведено оцінку можливостей та особливостей застосування в розроблених регіональних моделях тропосферної затримки числових полів метеорологічних параметрів як джерела вхідних метеорологічних параметрів моделі;

? розроблено методику введення поправок за тропосферну затримку безпосередньо у вимірювання, які виконані при супутникових спостереженнях, що відрізняється від загальновідомих підходів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в підвищенні точності визначення положення точок земної поверхні та їх взаємного розташування внаслідок введення поправок за тропосферну затримку при супутникових радіонавігаційних спостереженнях. Розроблена методика врахування тропосферної затримки є універсальною і може застосовуватись в будь-якому регіоні.

Вона також може бути використана при уточненні опорної системи координат ITRF; уточненні параметрів орієнтації Землі та дослідженні їх змін; узгодженні систем координат, отриманих з наземних і космічних спостережень; розвитку і уточненні координат пунктів ДГМ.

Особистий внесок здобувача. Всі нові наукові результати, викладені в дисертації, отримано особисто автором, що підтверджується більшістю публікацій.

В роботах, опублікованих в співавторстві, автору належать: [1] ? участь у постановці задачі, розробка методів її розв'язку, аналіз отриманих результатів, самостійне проведення розрахунків, [2] ? постановка задачі та формування висновків.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися: на науково-технічній конференції «Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва (погляд у ХХІ століття)» (Львів, 2000), на 5-му науково-технічному симпозіумі «Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища - GPS і GIS-технології (Алушта, 2000), на науково-технічних конференціях «Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва» (Львів, 2002, 2003), на Міжнародних науково-технічних конференціях «Геофорум» (Яворів, 2005, 2007), на науково-технічних семінарах кафедри землеустрою, геодезії та геоінформатики Національного університету водного господарства та природокористування (м.Рівне).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 5 друкованих праць в наукових фахових виданнях, затверджених ВАК України.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох основних розділів, висновків і рекомендацій, списку використаної літератури та додатків. Загальний обсяг дисертації становить 123 сторінки, ілюстрації складаються з 24 рисунків та 33 таблиць. Список використаних джерел становить 91 найменування.

Основний зміст роботи

зенітний супутниковий тропосферний затримка

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи. Сформульована мета і задачі досліджень, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів. Приводяться основні положення, які виносяться на захист, дані про публікації та апробацію результатів досліджень.

У першому розділі «Аналіз досліджень з моделювання тропосферної затримки» приведено огляд основних досліджень зі створення аналітичних моделей врахування тропосферних затримок. Розглядається окремо як гідростатична складова тропосферної затримки, так і волога. Також приведені функції відображення, які використовуються з метою врахування зенітної віддалі при визначенні величини тропосферної затримки.

Результати аналізу вхідних параметрів, які використовуються в найбільш вживаних аналітичних моделях врахування тропосферних затримок при супутникових спостереженнях, приведено в табл. 1.

Таблиця 1. Вхідні параметри існуючих аналітичних моделей врахування тропосферної затримки

Також в розділі розглядаються результати досліджень з моделювання тропосферної затримки в Україні: роботи Ф. Заблоцького, Б. Паляниці, І. Торопи, М. Миронова.

За результатами огляду досліджень зроблені наступні висновки:

1. Параметри більшості існуючих аналітичні моделей врахування тропосферної затримки є результатом обробки певних статистичних даних і дають зміщену оцінку для різних територій земної поверхні.

2. Встановлено, що для обчислення тропосферної поправки відсутні моделі, які дозволяють враховувати метеорологічні параметри за траєкторією проходження радіосигналу, враховуючи, таким чином, регіональні умови в районі спостережень.

3. Існуючі функції відображення тропосферної затримки не дозволяють враховувати вплив тропосфери при зенітних відстанях, близьких до 90⁰, що обмежує можливості використання супутникових радіонавігаційних систем на забудованих та територіях промислових майданчиків [1].

Автором запропоновано переглянути підходи до моделювання тропосферної затримки з врахуванням розвитку технічних та обчислювальних засобів, можливостей оперативного отримання значень метеорологічних параметрів, розробки нових алгоритмів розрахунків поправок за вплив тропосфери. З врахуванням вищенаведеного було запропоновано наступну структуру подальших досліджень.

Другий розділ «Модель врахування тропосферної затримки при супутникових спостереженнях» присвячений розробці математичної моделі для розрахунку значення тропосферної затримки з врахуванням метеорологічних параметрів за траєкторією поширення радіосигналу та при довільних значеннях зенітної віддалі.

В роботах [2, 3] для визначення тропосферних затримок при супутникових спостереженнях запропонована локальна модель впливу тропосфери, яка складається зі сферичних шарів. До висоти тропопаузи тропосфери густина повітря залежить від висоти експоненціально, а починаючи з висоти тропопаузи ? змінюється за лінійним законом.

Як відомо з робіт вітчизняних і закордонних вчених, похибку вимірювання віддалі від антени до супутника можна визначити за формулою

, (1)

де - похибка видовження лінії візування внаслідок її викривлення;

- похибка, яка пов'язана із зміною часу поширення електромагнітної хвилі за рахунок зміни густини середовища.

Розглянувши геометричний шлях поширення радіохвилі, було запропоновано розрахунок проводити за формулою

(2)

,

де та ? довжини хорд, якими представляється траєкторія поширення радіосигналу між шарами тропосфери; , , , ? часткові кути рефракції.

Похибка визначається за формулою

, (3)

де Дn_i і Дn_j - зміна показника заломлення між шарами тропосфери, при цьому

, (4)

. (5)

У виразах (4) та (5): , , , - інтегральні характеристики стану тропосфери, що залежать від її густини; ? молярна маса сухого повітря; ? висота шару над поверхнею; ? універсальна газова стала; ? абсолютна температура повітря; ? парціальний тиск водяної пари.

Величини і описують вплив циклічної частоти електромагнітної хвилі , тобто, взаємодію радіохвилі довжиною з молекулами як сухого повітря, так і молекулами води, і розраховуються за формулами:

, (6)

, (7)

де f_dnk та щ_dnk ? сила і циклічна частота осциляторів молекул та атомів сухого повітря; f_wnk та щ_wnk, ? сила і циклічна частота осциляторів молекул води; N_A - число Авогадро; q_e - заряд електрона; m_e - маса електрона.

Використавши значення густини атмосфери для певних висот згідно ГОСТ 4401-81 (СА-81), було вирахувано параметри , , , . При цьому до 14 км розрахунок проводився за формулами експоненціальної зміни густини, а від 14 до 50 км - за лінійним законом.

В програмному середовищі MathCad 2001 нами було створено алгоритм і програму та розраховані значення при значеннях зенітної віддалі 5⁰, 30⁰, 70⁰, 85⁰.

Для перевірки достовірності розробленої моделі використовувались результати розрахунку тропосферної затримки, отримані в роботах інших вчених. Характер зміни значень часткових кутів рефракції та показника заломлення відповідає фізичним властивостям цих показників для однорідної атмосфери.

В табл. 2 наведено порівняння розрахованих нами значень тропосферної затримки зі значеннями, вирахуваними за аналітичними моделями Саастамойнена та Хопфілда.

Таблиця 2. Порівняння розрахованих значень з моделями Хопфілда та Саастамойнена

Отримані результати також добре узгоджуються з результатами, отриманими в роботах В. Куштіна та М. Миронова.

При значеннях зенітних віддалей більших 80⁰, слід використовувати інформацію про метеорологічні параметри підстилаючої поверхні, оскільки параметри стандартної атмосфери недостатньо повно описують відмінності метеорологічних параметрів в найбільш активному шарі тропосфери.

В третьому розділі «Використання даних числових метеорологічних полів в якості вхідних параметрів моделі тропосферної затримки» проведено аналіз оперативних метеорологічних даних з числових метеорологічних полів, які є результатом обробки великих масивів статистичної інформації, а також постійних спостережень з використанням відповідних методик і обладнання.

Найбільш оперативними і доступними для дослідників є числові метеорологічні поля, які розробляються Національним центром прогнозування довкілля США (NCEP) та Національним агентством океанічних й атмосферних досліджень США (NOAA). Всі вихідні дані постачаються в бінарному стисненому спеціальному стандарті GRIB, який призначений для представлення регулярних решіток [5].

Існують декілька видів числових метеорологічних полів. Їх характеристики наведені в табл. 3.

Таблиця 3. Характеристики числових метеорологічних полів NCEP та NOAA

Для території України розміри сітки будуть складати приблизно 100х100 км. Наявні метеорологічні станції на території України розміщені більш розріджено в порівнянні з даними метеорологічних полів GDAS.

В числових метеорологічних полях даних GDAS вертикальною координатою шарів є значення тиску. Значення геопотенціальної висоти, так само як температура й відносна вологість, пов'язані з рівнями постійного тиску.

Числове поле GDAS містить 26 вертикальних шарів тиску аж до значення в 10 hPa, що відповідає висоті приблизно 37 км. Відносна вологість надається для нижніх 21 вертикального рівня до значення тиску в 100 hPa (приблизно 18,5 км). Для кожного шару і для кожної точки регулярної сітки розміром 1єх1є приведено значення геопотенціальної висоти, тиску, температури і відносної вологості, що формує достатній набір даних для аналізу рефракційних профілів в тропосфері.

В даних, які надаються відповідними розробниками метеорологічних моделей, горизонтальні координати приводяться у вигляді номерів рядів і колонок, де ряд відповідає широті, а колонка - довготі.

Поверхні метеорологічних даних включають повний тиск, температуру й відносну вологість (або тиск водяної пари).

На основі трасування траєкторії поширення радіосигналу та використання спеціального програмного забезпечення GrADS було розроблено методику для виділення з бінарних файлів даних числових метеорологічних полів значень тиску, температури та вологості. При інтерполяції значень між вузлами решіток в якості ваг використовувались сферичні відстані до найближчих відомих значень вузлів.

На основі результатів досліджень даних числових метеорологічних полів, найбільш повно описаними в роботах Т. Шулера із Військово-технічного університету Мюнхена, встановлено, що числові поля метеорологічних параметрів в силу своєї доступності для всіх територій, оперативності та актуальності можуть служити джерелом вхідних даних для моделей врахування тропосферної затримки. Цифрова форма представлення і їх поширення через комп'ютерні мережі дозволяє алгоритмізувати процедуру врахування метеорологічних параметрів за траєкторією поширення супутникового радіосигналу.

Розроблено методику та алгоритми розрахунку тропосферної затримки з врахуванням метеорологічних параметрів за траєкторією поширення радіосигналу.

Четвертий розділ «Експериментальна перевірка регіональної моделі тропосферної затримки» базується на розробленій схемі проведення експерименту.

Для експериментальної перевірки положень, приведених в попередніх розділах, було визначено ряд умов, які б забезпечили достовірність отримуваних результатів і відповідних висновків:

1. Перевірка результатів дослідження повинна виконуватися за даними спостережень перманентних станцій, які є доступними для всіх користувачів і надаються в незалежному від моделей приймачів форматі RINEX.

2. При опрацюванні необхідно використовувати вимірювання псевдовіддалей до супутників на двох частотах (L1 та L2).

3. Перманентні станції, які будуть формувати еталонні вектори, повинні розміщуватись на якомога меншій відстані один від одного для забезпечення однорідних умов геометричної конфігурації супутників.

4. З метою мінімізації впливу похибки місцерозташування супутників необхідно використовувати значення фінальних ефемерид.

Для виконання експериментальної перевірки було використано дані супутникових спостережень з трьох станцій мережі перманентних станцій CORS: aoml, mia4 та mia3, ? при цьому вектори сформували трикутник. Значення віддалей між обраними перманентними станціями приведено в табл. 4.

Також на вищезазначену добу спостережень було отримано файл метеорологічних даних типу GRIB ID3.

Таблиця 4. Значення віддалей між обраними перманентними станціями

Слід зазначити, що координати перманентних станцій були приведені на епоху даних, що використовувались в обробці.

Значення зенітної віддалі на кожний супутник на всі епохи спостережень було обчислено, виходячи з координат станцій спостереження та координат супутників. Таким чином був сформований файл значень зенітних віддалей.

На основі використання формул трасування траєкторії поширення радіосигналу за напрямком зенітної віддалі та інтерполяцій значень між вузлами сітки для кожного шару метеорологічних параметрів був сформований файл значень метрологічних параметрів для траєкторії кожного супутника, на які проводилися спостереження.

Такий набір попередньо підготовлених даних є достатнім для розрахунку значень тропосферної затримки за траєкторіями поширення радіосигналів у відповідності до розробленої моделі врахування тропосферних затримок. При цьому розраховане значення враховує регіональні особливості стану тропосфери.

У відповідності до розробленої методики [4], обчислені поправки вводилися безпосередньо у файли спостережень на станції як у виміряні кодові псевдовіддалі (С1 та Р2), так і у фазові вимірювання (L1, L2). що є новим підходом до опрацювання даних спостережень.

За значеннями тропосферної затримки , шляхом її віднімання від початкових виміряних значень L1, L2, С1 та Р2 (з перетворенням в цикли при фазових вимірюваннях), визначалися виправлені значення L1, L2, С1 та Р2. Таким чином формувалися модифіковані файли спостережень в форматі RINEX, вільних від впливу тропосферних затримок.

Відкориговані файли спостережень вводилися в одну із стандартних програм обробки результатів супутникових спостережень ? Trimble Geomatics Office.

Результати опрацювання базових векторів після введення поправок за тропосферні затримки за розробленою нами моделлю наведено в табл. 5.

Таблиця 5. Результати опрацювання векторів

Зрівноваження мережі виконувалося з фіксацією однієї точки (aoml). Результати зрівноваження координат станцій без врахування регіональної тропосферної затримки приведено в табл. 6, а з врахуванням таких затримок за моделлю, представленою в роботі, - в табл. 7.

Таблиця 6. Зрівноважені координати без врахування регіональних тропосферних затримок (на площині)

Таблиця 7. Зрівноважені координати з врахуванням регіональних тропосферних затримок (на площині)

В табл. 8 приведені відносні точності ліній між парами пунктів після зрівноваження мережі без врахування тропосферних затримок та, відповідно, з врахуванням таких.

Таблиця 8. Відносна точність визначення векторів

Також було виконано опрацювання цих же векторів з використанням моделей, які пропонуються в програмному забезпеченні Trimble Geomatics Office (Hopfield, Goad-Goodman, Saastamoinen, Black, Niell). Результати виявилися співрозмірними з результатами, отриманими при врахуванні регіональних тропосферних затримок за розробленою нами моделлю, що підтверджує правильність наших розрахунків.

Запропонована модель та методика врахування регіональних тропосферних затримок на коротких векторах дає результати, співрозмірні з стандартними моделями врахування тропосферної затримки, що дозволяє зробити висновок про її репрезентативність.

Основною особливістю розробленої моделі та методу обробки є те, що вони дозволяють враховувати реальні метеорологічні параметри на шляху розповсюдження електромагнітних хвиль і при цьому достовірно оцінювати вплив тропосфери на результати супутникових спостережень.

Висновки

2. Запропонована модель визначення регіональної тропосферної затримки, на відміну від інших аналітичних моделей, дозволяє розраховувати тропосферну затримку при довільних значеннях зенітної віддалі та з використанням метеорологічних параметрів для кожного сферичного шару. Створено алгоритм і програму розрахунку значень тропосферної затримки.

3. Проведене порівняння результатів моделювання тропосферної затримки, які виконані в роботі, з дослідженнями, виконаними іншими дослідниками, підтверджує можливості її практичного застосування на регіональному рівні.

4. В роботі запропоновано використовувати в якості вхідних метеорологічних параметрів розробленої моделі числові поля метеорологічних параметрів. Цифрова форма представлення і їх поширення через комп'ютерні мережі дозволяє алгоритмізувати процедуру врахування метеорологічних параметрів за траєкторією поширення супутникового радіосигналу.

5. Розроблено методику і алгоритми, які дозволяють на основі опрацювання даних про орбіти супутників, супутникових спостережень на станціях та числових полів метеорологічних параметрів вводити поправки безпосередньо у виміри.

6. На основі розробленої методики та схеми проведення експериментальної перевірки виконано розрахунки з врахування тропосферної затримки на коротковекторних перманентних станціях та проведена оцінка точності отриманих результатів.

7. Розроблену модель та методику врахування регіональних тропосферних затримок необхідно впроваджувати при побудові державних геодезичних мереж країни.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Малярчук С.А., Черняга П.Г., Янчук Р.М. Вибір місць закладання пунктів GPS-спостережень на території проммайданчиків для розвитку мереж згущення // Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва. - Львів: Ліга-прес, 2000. - С. 196-200.

2. Бялик М.В., Черняга П.Г., Степанченко О.М., Тригуба О.С., Янчук Р.М. Локальна модель атмосфери для врахування затримок при GPS-вимірюваннях // Вісник Рівненського державного технічного університету. - Рівне, 2001. - Вип.1 (8). - С. 234-241.

3. Янчук Р.М. Визначення видовження траєкторії проходження радіосигналу при GPS-вимірюваннях внаслідок її викривлення в атмосфері // Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва. - Львів, 2005. - С. 101-106.

4. Янчук Р.М. Уведення поправок за тропосферну затримку у файли спостережень на GPS-станціях // Вісник геодезії та картографії. - К., 2006. - №1. - С. 21-24.

5. Янчук Р.М. Застосування числових полів метеорологічних параметрів у задачах моделювання тропосферної затримки супутникового радіосигналу // Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва. - Львів, 2007. - С. 115-119.

Размещено на Allbest.ru