Теоретические основы мониторинга влагосодержания

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  1dl
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 107 К/Па
k2  7.04 107 К/Па
k3  3.776 103 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  cos2   0.00028 103  h
0
где
0
Тогда расчетная формула имеет принимает вид (модель Саастамойнена):
5
2
.
2768

10
 P0

Ld (90 ) 
1  0.00266  cos2   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)


0.5LКОД
 LКОД
 0.5LФАЗ
 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