Теоретические основы мониторинга влагосодержания...
DESCRIPTION
Теоретические основы мониторинга влагосодержания атмосферы радиосигналами ГЛОНАСС и GPS. ГОУ ВПО «Российский государственный гидрометеорологический университет». Чукин В.В., Алдошкина Е.С., Вахнин А.В., Нгуен Т.Т., Обрезкова И.В. Санкт-Петербург, 2010. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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
3
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
4
КА системы ГЛОНАСС и GPS
Параметр Значение
Срок службы 10 лет
Масса 2032 кг
Мощность батарей 1136 Вт
КА «Block IIR-M»КА «Глонасс-М»
Параметр Значение
Срок службы 7 лет
Масса 1415 кг
Мощность батарей 1400 Вт
5
Орбитальная группировка КА ГНСС
0
5
10
15
20
25
30
35
1992 1995 1998 2001 2004 2007 2010
Год
Чи
сло
КА
ГЛОНАСС
GPS
Положение КА GPSна небосводес 05.12.2009 02:56по 05.12.2009 03:56 UTC
6
Параметры космического комплексасистем ГЛОНАСС и GPS
ПараметрГНСС
ГЛОНАСС GPSЧисло спутников 21 30
Число орбитальных плоскостей 3 6
Число спутников в плоскости до 8 до 6
Тип орбиты круговая круговая
Высота орбиты, км 19 100 20 145
Наклонение орбиты, град. 64.8 55.0
Период обращения 11 ч 16 мин 11 ч 57 мин
Частоты используемых радиосигналов, МГц
L1: 1602+k·0.5625
L2: 1246+k·0.4375
L1: 1575.42
L2: 1227.60
7
Типы навигационных сигналовсистем ГЛОНАСС и GPS
ГН
СС Тип КА Год
Диапазон частот
L1 L2 L3 L5
ГЛ
ОН
АС
С
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
GP
S
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
8
Спектры навигационных радиосигналов ГНСС
синий — открытые сигналы; красный — закодированные сигналы; серый — недокументированные сигналы
GPS
GLONASS
SBAS
Galileo
QZSS
COMPASS
1560 1570 1580 1590 1600 16101170 1180 1190 1200 1210 1220 1230 1240 1250 1260 1270 1280 1290 1300 Frequency (MHz)
9
Определение местоположения приемных устройств потребителей
10
Задержка радиосигнала в тропосфере
L
tr dlnL0
1Дополнительная задержка радиосигнала, связанная с прохождением через тропосферный слой определяется выражением:
11
Показатель преломления радиоволнв тропосфере
К/Па 1076.7 7
1
k
К/Па 1004.7 7
2
k3
3 10776.3 k
2
3211T
ek
T
ek
T
ePkn
К2/Па
Квоздуха,а температур-T
IIa пара, водяного давление епарциально-e
IIa давление, еатмосферно-P
12
Показатель преломления радиоволнв тропосфере (2)
vd NNn 1
dd RkN 1
vv
vv TRk
RkN
3
2
K)Дж/(кг 054.287 dR
K)Дж/(кг 526.461 dR
v
d
RR
kkk 122
.
Показатель преломления показывает во сколько раз скорость распространения радиоволн меньше скорости света и может быть представлен в виде двух слагаемых:
Гидростатическая часть показателя преломления:
«Влажная» часть показателя преломления:
3кг/м пара, водяного плотность -П
3кг/м воздуха, плотность -
К воздуха, атемператур-T
13
Две составляющие части задержки радиосигнала в тропосфере
L L
vdtr dlNdlNL0 0
vdtr LLL
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:
Подставим полученное решение в формулу для определения задержки радиосигнала в тропосфере:
14
Гидростатическая задержка радиосигналав тропосфере
)()90()()90()( vvddtr mLmLL
Для расчетов тропосферную задержку радиосигнала удобно представить в виде суммы произведений вертикальной задержки, умноженной на отображающую функцию:
15
Гидростатическая задержка при вертикальном распространении сигнала
m
ddd g
PRkdzRkL 01
01)90(
В случае вертикального распространения сигнала от спутника до приемника, гидростатическая часть задержки равна:
Поскольку приземное атмосферное давление определяется как
00
0 dzggdzP m
где hgm 31000028.02cos00266.01784.9
hP
Ld
30
5
1000028.02cos00266.01102768.2
)90(
Тогда расчетная формула имеет принимает вид (модель Саастамойнена):
16
Гидростатическая отображающая функция
cb
amd
sinsin
sin
1
0
7
0
65
0
93 10057.815.28810378.11010316.110237.1 eTPa
0
8
0
75
0
93 10747.115.28810040.11010946.110333.3 eTPb
078.0c
0
0
dz
dlm
L
d
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:
17
«Влажная» отображающая функция
cb
amv
sinsin
sin
1
0
6
0
75
0
93 10328.115.28810724.11010471.210236.5 eTPa
0
6
0
75
0
93 10147.215.28810767.31010384.710705.1 eTPb
05917.0c
0
0
dz
dlm
v
L
v
v
Для аппроксимации данной функции может быть использована формула Ифадиса:
По определению, данная функция показывает насколько больше задержка радиосигнала при распространении под данным углом места по сравнению с вертикальным распространением радиосигнала во влажном воздухе:
18
«Влажная» задержка радиосигналапри вертикальном распространении
0
02
0 72.02.70 Tdz
Te
dzTe
Tm
PWVTRk
RkLm
vvv
32)90(
0
dzPWV v
Средняя «взвешанная» температура: Влагосодержание в вертикальном столбе атмосферы:
19
Средняя «взвешанная» температура
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
0
02
0 Tbadz
Te
dzTe
Tm
20
Определение интегрального содержания водяного пара в атмосфере
)90(1
32
v
m
vv L
TRk
RkPWV
Из определения вертикальной задержки радиосигнала во влажном воздухе получается расчетная формула:
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.
21
Определение задержки радиосигналаво влажном воздухе (1)
222
ПРСППРСППРСП ZZYYXXL
2
2
2
1
12
2
2
ffLLf
Lion
ddd mLL 90
v
dion
КОД
v mcLLLL
L
)(
190
5.02
max
2
1
cos1
4.40
zRR
f
TECLion
или
22
Определение задержки радиосигналаво влажном воздухе (2)
1
1111 905.05.090
kvkv
kdkddkk
ФАЗ
k
ФАЗ
k
КОД
k
КОД
kv mm
mmLLLLLLLL
Преимуществом разностного метода является отсутствие влияния ионосферы и учет не самих значений дальностей до КА, а только их изменений за интервал времени.
23
Инерциальная и гринвичская геоцентрические системы координат
WGS-84 ПЗ-90.02Инерциальная
геоцентрическая система
24
Пример файла навигационных данныхв формате RINEX
25
Уравнение движения КА ГЛОНАСС
26
Точность определения местоположенияКА ГЛОНАСС при интегрировании на 30 мин.
27
Точность определения интегрального содержания водяного пара в атмосфере
(Санкт-Петербург, январь-май 2009 г.)
28
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
29
Базовая ГНСС станция РГГМУ
30
Получение данных навигационных измерений
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)
ГНСС-приемник генерирует поток «сырых» данных в формате, зависящим от производителя оборудования
31
Пример данных измерений псевдодальностейв формате RINEX
32
Сеть базовых ГНСС станций EUREF
33
Система сбора навигационных данных в режиме реального времени
34
NTRIP-маршрутизатор в РГГМУ
35
Пространственное распределение значений вертикальной задержки радиосигнала в
тропосферепо данным сети станций BKG (Федеральное агентство картографии и геодезии), Германия
36
Система обработки навигационных данных
37
Прогноз количества осадков (модель WRF)
38
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.
39
Спасибо за внимание!
Чукин Владимир Владимирович, канд. физ.-мат. наукАлдошкина Елена Сергеевна, аспирантВахнин Антон Вячеславович, студентНгуен Тонг Там, студентОбрезкова Ирина Владимировна, студент
E-mail: [email protected]Сайт проекта: http://www.meteolab.ru
Работа выполнена при поддержке ФЦП «Кадры» ГК № П1549 от 09.09.2009