Теоретические основы мониторинга влагосодержания
реклама
ГОУ ВПО «Российский государственный гидрометеорологический университет» Теоретические основы мониторинга влагосодержания атмосферы радиосигналами ГЛОНАСС и GPS Чукин В.В., Алдошкина Е.С., Вахнин А.В., Нгуен Т.Т., Обрезкова И.В. Санкт-Петербург, 2010 Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) ГЛОНАСС GPS Состав систем ГЛОНАСС и GPS Комплекс системы Состав Космический комплекс - космические аппараты (КА), - наземный комплекс управления, - ракетно-космический комплекс Комплекс наземной аппаратуры потребителей - любительская приемная аппаратура, - геодезическая приемная аппаратура, - аппаратура базовых станций Комплекс функциональных дополнений - широкозонная система дифференциальной коррекции, - локальные дифференциальные системы Комплекс средств фундаментального обеспечения - параметры вращения Земли, - комплекс средств формирования времени, - средства уточнения астрономо-геодезических параметров 3 КА системы ГЛОНАСС и GPS КА «Block IIR-M» КА «Глонасс-М» Параметр Срок службы Параметр Значение 7 лет Значение Срок службы 10 лет Масса 1415 кг Масса 2032 кг Мощность батарей 1400 Вт Мощность батарей 1136 Вт 4 Орбитальная группировка КА ГНСС 35 30 Положение КА GPS на небосводе Число КА 25 20 с 05.12.2009 02:56 по 05.12.2009 03:56 UTC 15 10 5 ГЛОНАСС GPS 0 1992 1995 1998 2001 2004 2007 2010 Год 5 Параметры космического комплекса систем ГЛОНАСС и GPS Параметр ГНСС ГЛОНАСС GPS Число спутников 21 30 Число орбитальных плоскостей 3 6 до 8 до 6 круговая круговая 19 100 20 145 64.8 55.0 11 ч 16 мин 11 ч 57 мин Число спутников в плоскости Тип орбиты Высота орбиты, км Наклонение орбиты, град. Период обращения Частоты используемых радиосигналов, МГц L1: 1602+k·0.5625 L2: 1246+k·0.4375 L1: 1575.42 L2: 1227.60 6 Типы навигационных сигналов систем ГЛОНАСС и GPS ГНСС Тип КА Год L1 Диапазон частот L2 L3 L5 ГЛОНАСС GPS Глонасс 1982 ВТ, СТ ВТ - - Глонасс-М 2007 ВТ, СТ ВТ, СТ - - Глонасс-К 2010 ВТ, СТ, L1ROC ВТ, СТ ВТ, СТ L5ROC Глонасс-КМ 2015 ВТ, СТ, L1ROC, L1SC ВТ, СТ, L2OC, L2SC ВТ, СТ, L3SC L5ROC Block IIA 1990 P, C/A P - - Block IIR 1997 P, C/A P - - Block IIR-M 2005 P, C/A, M P, L2C, M - - Block IIF 2010 P, C/A, M P, L2C, M - I, Q Block III 2014 P, C/A, M, L1C P, L2C, M - I, Q 7 Спектры навигационных радиосигналов ГНСС GPS GLONASS SBAS Galileo QZSS COMPASS 1170 1180 1190 1200 1210 1220 1230 1240 1250 1260 1270 1280 Frequency (MHz) 1290 1300 1560 1570 1580 1590 1600 синий — открытые сигналы; красный — закодированные сигналы; серый — недокументированные сигналы 8 1610 Определение местоположения приемных устройств потребителей 9 Задержка радиосигнала в тропосфере Дополнительная задержка радиосигнала, связанная с прохождением через тропосферный слой определяется выражением: L Ltr n 1dl 0 10 Показатель преломления радиоволн в тропосфере k1 P e k 2 e k3 e n 1 2 T T T T - температура воздуха, К P - атмосферное давление, IIa e - парциальное давление водяногопара, IIa k1 7.76 107 К/Па k2 7.04 107 К/Па k3 3.776 103 К2/Па 11 Показатель преломления радиоволн в тропосфере (2) Показатель преломления показывает во сколько раз скорость распространения радиоволн меньше скорости света и может быть представлен в виде двух слагаемых: n 1 Nd Nv Гидростатическая часть показателя преломления: N d k1 Rd Rd 287 .054 Дж/(кг K) Rd 461 .526 Дж/(кг K) k2 k2 k1 Rd Rv «Влажная» часть показателя. преломления: k3 Rv N v k2 Rv v T - плотность воздуха, кг/м3 П - плотность водяного пара, кг/м3 T - температура воздуха, К 12 Две составляющие части задержки радиосигнала в тропосфере Подставим полученное решение в формулу для определения задержки радиосигнала в тропосфере: L L 0 0 Ltr N d dl N v dl Отсюда видно, что задержку сигнала в тропосфере можно представить в виде суммы гидростатической задержки, связанной с прохождением радиосигнала сквозь тропосферу, где давление с высотой убывает в соответствии с гидростатическим законом, и задержки за счет распространения в водяном паре: Ltr Ld Lv 13 Гидростатическая задержка радиосигнала в тропосфере Для расчетов тропосферную задержку радиосигнала удобно представить в виде суммы произведений вертикальной задержки, умноженной на отображающую функцию: Ltr ( ) Ld (90 ) md ( ) Lv (90 ) mv ( ) 14 Гидростатическая задержка при вертикальном распространении сигнала В случае вертикального распространения сигнала от спутника до приемника, гидростатическая часть задержки равна: k1 Rd P0 Ld (90 ) k1 Rd dz gm 0 Поскольку приземное атмосферное давление определяется как P0 gdz g m dz gm 9.784 1 0.00266 cos2 0.00028 103 h 0 где 0 Тогда расчетная формула имеет принимает вид (модель Саастамойнена): 5 2 . 2768 10 P0 Ld (90 ) 1 0.00266 cos2 0.00028 10 3 h 15 Гидростатическая отображающая функция По определению, данная функция показывает насколько больше задержка радиосигнала при распространении под данным углом места по сравнению с вертикальным распространением радиосигнала атмосфере, где давление воздуха убывает по гидростатическому закону: Для аппроксимации данной функции может быть использована формула Ифадиса: md L m d dl 0 dz 0 1 sin a sin b sin c a 1.237 10 3 1.316 10 9 P0 105 1.378 10 6 T0 288 .15 8.057 10 7 e0 b 3.333 10 3 1.946 10 9 P0 105 1.040 10 7 T0 288 .15 1.747 10 8 e0 c 0.078 16 «Влажная» отображающая функция По определению, данная функция показывает насколько больше задержка радиосигнала при распространении под данным углом места по сравнению с вертикальным распространением радиосигнала во влажном воздухе: Для аппроксимации данной функции может быть использована формула Ифадиса: mv L m v dl v 0 dz v 0 1 sin a sin b sin c a 5.236 10 3 2.471 10 9 P0 105 1.724 10 7 T0 288 .15 1.328 10 6 e0 b 1.705 10 3 7.384 10 9 P0 105 3.767 10 7 T0 288 .15 2.147 10 6 e0 c 0.05917 17 «Влажная» задержка радиосигнала при вертикальном распространении k 3 Rv PWV Lv (90 ) k 2 Rv Tm Средняя «взвешанная» температура: e 0 T dz Tm 70.2 0.72 T0 e 0 T 2 dz Влагосодержание в вертикальном столбе атмосферы: PWV v dz 0 18 Средняя «взвешанная» температура e 0 T dz Tm a b T0 e 0 T 2 dz Пункт a, K b Санкт-Петербург 65.48±0.83 0.73±0.01 Бологое 63.28±1.01 0.74±0.01 Великие Луки 76.23±0.91 0.70±0.01 Казань 67.35±0.80 0.72±0.01 Смоленск 67.39±0.89 0.73±0.01 Тура 107.23±0.95 0.58±0.01 Ванавара 100.74±1.07 0.60±0.01 Вилюйск 95.65±0.80 0.62±0.01 Оленек 109.16±0.90 0.57±0.01 19 Определение интегрального содержания водяного пара в атмосфере Из определения вертикальной задержки радиосигнала во влажном воздухе получается расчетная формула: 1 k3 Rv Lv (90 ) PWV k 2 Rv Tm Таким образом, для определения интегрального содержания водяного пара в столбе атмосферы необходимы измерения одним приемным устройством задержки сигнала ΔLТР в тропосфере при больших углах места навигационного спутника и приземных значений температуры воздуха T0, атмосферного давления P0, парциального давления водяного пара e0 в точке размещения приемника из которых определяются значения вертикальной гидростатической задержки радиосигнала, гидростатической и «влажной» отображающих функций и средней «взвешенной» температуры воздуха. 20 Определение задержки радиосигнала во влажном воздухе (1) ( КОД ) L L Lion Ld c 1 Lv 90 mv L X X ПР YСП YПР Z СП Z ПР 2 СП f 22 L2 L1 Lion f12 f 22 2 или Ld Ld 90 md Lion 2 40.4 TEC R cos f1 1 R zmax 2 2 0.5 21 Определение задержки радиосигнала во влажном воздухе (2) 0.5LКОД LКОД 0.5LФАЗ LФАЗ Lk Lk 1 Ld 90 md k md k 1 k k 1 k k 1 Lv 90 mv k mv k 1 Преимуществом разностного метода является отсутствие влияния ионосферы и учет не самих значений дальностей до КА, а только их изменений за интервал времени. 22 Инерциальная и гринвичская геоцентрические системы координат WGS-84 ПЗ-90.02 Инерциальная геоцентрическая система 23 Пример файла навигационных данных в формате RINEX 24 Уравнение движения КА ГЛОНАСС 25 Точность определения местоположения КА ГЛОНАСС при интегрировании на 30 мин. 26 Точность определения интегрального содержания водяного пара в атмосфере (Санкт-Петербург, январь-май 2009 г.) 27 Приемная аппаратура радиосигналов ГНСС Topcon GB-1000 Система: ГЛОНАСС/GPS Число каналов: 40 Чипсет: Paradigm Диапазон частот: L1 и L2 GlobalSat BT-338 Система: GPS Число каналов: 20 Чипсет: SiRF Star III Диапазон частот: L1 28 Базовая ГНСС станция РГГМУ 29 Получение данных навигационных измерений ГНСС-приемник генерирует поток «сырых» данных в формате, зависящим от производителя оборудования Для преобразования в единый формат данных служит программа-декодер. Наиболее распространенным является декодер TEQC Данные измерений хранятся в файлах в формате RINEX (Receiver Independent Exchange Format) 30 Пример данных измерений псевдодальностей в формате RINEX 31 Сеть базовых ГНСС станций EUREF 32 Система сбора навигационных данных в режиме реального времени 33 NTRIP-маршрутизатор в РГГМУ 34 Пространственное распределение значений вертикальной задержки радиосигнала в тропосфере по данным сети станций BKG (Федеральное агентство картографии и геодезии), Германия 35 Система обработки навигационных данных 36 Прогноз количества осадков (модель WRF) 37 Заключение • Использование данной системы позволит обеспечить пользователей информацией о состоянии атмосферы и улучшить точность позиционирования потребителей навигационной информации; • Использование оперативной информации о содержании водяного пара в атмосфере в численных моделях прогноза погоды позволит улучшить детализацию данных и точность региональных краткосрочных прогнозов погоды. 38 Спасибо за внимание! Чукин Владимир Владимирович, канд. физ.-мат. наук Алдошкина Елена Сергеевна, аспирант Вахнин Антон Вячеславович, студент Нгуен Тонг Там, студент Обрезкова Ирина Владимировна, студент E-mail: chukin@rshu.ru Сайт проекта: http://www.meteolab.ru Работа выполнена при поддержке ФЦП «Кадры» ГК № П1549 от 09.09.2009 39
