CC BY
88
УДК 629.783 Е.К. Фролова СГГ А, Новосибирск
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТРОПОСФЕРНЫХ ЗЕНИТНЫХ ЗАДЕРЖЕК ДЛЯ УЧЕТА РЕФРАКЦИИ ПРИ ОБРАБОТКЕ GPS-НАБЛЮДЕНИЙ
В число продуктов международных исследований, предоставляемых Международной GPS службой (International GPS Service, далее МГС), входят точные эфемериды спутников, метеорологические файлы сети наблюдательных станций и файлы тропосферных зенитных задержек. В пояснениях к предоставляемым продуктам
(ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/gps/products) указано, что файлы тропосферных зенитных задержек оцениваются по недельному интервалу спутниковых наблюдений и могут быть двух типов - зенитные задержки конкретной станции сети МГС и комбинированные по нескольким станциям. Файлы тропосферных зенитных задержек доступны для пользователей примерно через месяц после даты наблюдений.
В СГГА, в рамках поиска оптимального способа учета тропосферной рефракции при обработке спутниковых наблюдений исследуется возможность применения продуктов МГС при построении высокоточных сетей. Поскольку большинству пользователей недоступны научные пакеты обработки спутниковых данных, возник вопрос об использовании этой информации в коммерческих программных пакетах, например Trimble Geomatic Office (TGO) [1].
Модели для вычисления тропосферной задержки (ТЗ) аппроксимируют влияние, оказываемое нейтральной атмосферой, как интеграл профиля показателя преломления в вертикальном направлении (зенитная составляющая ТЗ, или зенитная тропосферная задержка, далее ЗТЗ) и функции отображения, которая позволяет учитывать угловую высоту спутника над горизонтом, hi. Поправка за задержку радиоволн в нейтральной атмосфере наиболее часто определяется через вклад гидростатической и влажной компонент тропосферы. Это связано с разделением влияний распределения паров воды и газов, находящихся в состоянии гидростатического равновесия [2]. Таким образом, полную ТЗ можно представить выражением:
Т = Tzm(h1 )= Tjzydmhyd(h1)+ TWetmwet (h1),
где подстрочные индексы hyd и wet - относятся соответственно к гидростатическому и влажному компонентам, m - функция отображения, Tz -зенитная составляющая соответствующей части ТЗ.
Разработкой функций отображения, максимально достоверно учитывающих влияние тропосферы на малых углах, занимались множество ученых. После многочисленных исследований Международной службой вращения Земли и референцных систем (МСВЗ) рекомендуется использовать функции отображения Айфадиса, Херринга, Найелла или Ланьи [3]. Зенитная составляющая ТЗ так же может вычисляться по различным моделям. На
основании своих сравнений МСВЗ рекомендует для вычисления гидростатической составляющей зенитной задержки модель Саастамойнена в представлении Дэвиса [4], но отмечает, что различия моделей незначительно сказываются на результате вычислений. Выбор модели во многом зависит от набора исходной информации. Однако, научные программы обработки спутниковых наблюдений позволяют оценивать значение ТЗ, а не моделировать его на основании дополнительной информации.
Наличие зенитных задержек на эпохи наблюдений позволяет вычислять полные ТЗ и корректировать наблюдения спутниковых приемников, представленные в формате RINEX. Для этого необходимо вычленить из недельного файла ЗТЗ данные, соответствующие эпохам наблюдений, интерполировать их на моменты измерений, вычислить полную тропосферную задержку для каждого спутника наблюдаемого в этот момент созвездия, используя одну из функций отображения, а затем ввести поправку в измерение псевдодальности и фазы. Таким образом, для решения этой задачи необходимо выполнить следующие операции:
- Чтение RINEX файлов наблюдений и навигации;
- Чтение SINEX файла ЗТЗ;
- Выявление ЗТЗ соответствующих интервалу наблюдений;
- Вычисление прямоугольных и топоцентрических координат всех наблюденных спутников созвездия на конкретные моменты наблюдений;
- Вычисление полной ТЗ для каждого спутника созвездия на конкретный момент наблюдений;
- Исправление каждого наблюдения каждого спутника созвездия в конкретный момент соответствующим значением поправки за тропосферную рефракцию;
- Формирование файла корректированных спутниковых наблюдений, идентичного исходному, но не нуждающегося в учете тропосферной задержки;
- Обработка скорректированных файлов спутниковых наблюдений в программном пакете TGO, с отключением тропосферной коррекции.
Чтение файлов наблюдений и бортовых эфемерид осуществляется утилитой READRIN созданной при исследовании возможностей учета тропосферной коррекции по поверхностным метеорологическим данным в 2000 году. Тогда же был реализован алгоритм вычисления прямоугольных и топоцентрических координат спутников GPS по данным навигационного сообщения. При решении задачи вычисления полной ТЗ по данным аэрологического зондирования в 2002 году были написаны подпрограммы, вычисляющие коэффициенты функции отображения Найелла [5].
Для чтения недельного файла ЗТЗ и выбора из него наблюдений конкретного дня, которые формируются в отдельный файл, в 2003 году была написана утилита ZPD READ, которая потом была включена в пакет программ коррекции RINEX-файлов наблюдений. Программа коррекции ZPD вычисляет значения полной ТЗ для каждого момента наблюдений, через
соответствующее значение ЗТЗ, угловую высоту спутников над горизонтом и функцию отображения Найелла. Значения полной ТЗ записываются в отдельный файл, в соответствии с моментом наблюдений и спутниками созвездия. Записи файла спутниковых наблюдений из RINEX-файла исправляются утилитой ISPRAV, на величину полной зенитной задержки с учетом частоты и типа исправляемых спутниковых наблюдений.
Для проверки целесообразности и эффективности применения файлов ЗТЗ, при обработке наблюдений спутниковых приемников GPS коммерческим программным продуктом TGO при построении высокоточных геодезических сетей было решено использовать данные для двух станций МГС (NVSK - г. Новосибирск и IRKT - г. Иркутск). Было выбрано несколько суточных сеансов наблюдений за первую половину (январь-июнь) 2004 года. Даты наблюдений разнесены примерно на месяц и соответствовали следующим дням в году (day of year, DOY): 007, 038, 067, 098, 159.
Исходные файлы наблюдений обоих станций и их корректированные варианты обработаны в программном пакете TGO с одинаковыми общими настройками процессора вычисления векторов базовых линий - угол отсечки наблюдений по высоте составлял 10° и использовались точные эфемериды. При этом в дополнительных настройках для исходных файлов учет влияния тропосферы производился по модели Найелла, с интервалом оценивания зенитной задержки в 1 час, а для корректированных наблюдений эта возможность была отключена вовсе. Базовой станцией с фиксированными координатами была назначена IRKT, координаты в системе ITRF2000 были взяты из каталога МГС на эпоху 2004.0 и приведены к эпохам наблюдений.
Полученные при решении координаты станции NVSK сравнивались с приведенными на эпоху наблюдений координатами станции из каталога МГС, а длина и компоненты вектора базовой линии, соответственно, с вычисленными по координатам каталога. Расхождения этих значений приведены в таблице. В сводную таблицу отклонений результатов вынесены все фиксированные решения, без учета их статистик.
На основании проведенных вычислений можно сказать, что решения, полученные по скорректированным данным, более устойчивы и имеют лучшие статистики. Из сводной таблицы отклонений трудно сделать однозначный вывод о значительном улучшении решения, но некоторая положительная тенденция все-таки отмечается. Высота станции NVSK по большей части наблюдений, которые корректировались ЗТЗ, получается ближе к ее значению, взятому из каталога МГС. Влияние, оказываемое на плановые координаты не так значительно для решений с хорошими статистиками.
В дальнейшем планируется расширить эксперимент, привлекая наблюдения других станций МГС, расположенных в России и за ее пределами. Основным критерием в их выборе будет близость к станции NVSK. Кроме того, описанный способ использован при обработке проведенных в 2004 году наблюдений метрологического полигона СГГА [6]. При коррекции использовались файлы ТЗТ станции NVSK. Результаты
получены, но их анализ отложен до получения каталога координат пунктов полигона, включающего в себя обработку наблюдений этого периода.
Таблица. Разности между вычисленными и определенными из каталога МГС
координатами станции NVSK
Пара- метры DOY 7 DOY 38 DOY 67 DOY 98 DOY 159
1 2 1 2 1 2 1 2 1 2
интервал обработки 00-24 часов
В, м 0,012 0,011 0,011 0,015 0,010 0,006 0,008 0,009 0,010
L, м 0,188 0,185 0,192 0,195 0,187 0,213 0,191 0,188 0,201
Н, м -0,031 -0,044 -0,031 -0,027 -0,027 -0,007 -0,020 -0,010 -0,006
X, м -0,197 -0,195 -0,201 -0,205 -0,196 -0,221 -0,199 -0,195 -0,209
^ м 0,001 -0,006 0,002 0,002 0,004 0,023 0,011 0,016 0,019
Z, м -0,022 -0,033 -0,023 -0,018 -0,020 -0,006 -0,016 -0,006 -0,003
D, м 0,017 0,019 0,012 0,010 0,018 -0,007 0,014 0,019 0,006
dx, м 0,013 0,016 0,009 0,006 0,014 -0,011 0,011 0,015 0,001
м 43 0,022 0,014 0,023 0,023 0,025 0,044 0,032 0,037 0,040
dz, м 0,042 0,031 0,042 0,047 0,045 0,058 0,049 0,058 0,062
dh, м 0,015 0,002 0,015 0,018 0,019 0,039 0,026 0,036 0,040
интервал обработки 00-12 часов
В, м 0,012 0,009 0,012 0,015 0,010 0,012 0,015 0,006 -0,005
L, м 0,192 0,183 0,191 0,193 0,184 0,118 0,191 0,187 0,171
Н, м -0,035 -0,042 -0,034 -0,036 -0,040 -0,126 -0,023 -0,005 -0,041
X, м -0,202 -0,192 -0,200 -0,203 -0,194 -0,131 -0,200 -0,194 -0,178
^ м -0,001 -0,004 -0,001 -0,004 -0,003 -0,062 0,003 0,020 0,008
Z, м -0,025 -0,033 -0,025 -0,024 -0,031 -0,099 -0,013 -0,004 -0,040
D, м 0,012 0,021 0,014 0,012 0,020 0,079 0,015 0,020 0,033
dx, м 0,008 0,018 0,010 0,007 0,017 0,079 0,010 0,016 0,032
dy, м 0,020 0,017 0,020 0,016 0,017 -0,041 0,024 0,041 0,029
dz, м 0,039 0,031 0,040 0,040 0,034 -0,035 0,051 0,060 0,024
dh, м 0,010 0,003 0,012 0,010 0,006 -0,080 0,023 0,041 0,005
интервал обработки 12 -24 часа
В, м 0,012 0,015 0,011 0,011 0,010 0,027 0,012 0,011
L, м 0,188 0,187 0,196 0,197 0,194 0,241 0,184 0,012
Н, м -0,031 -0,045 -0,026 -0,019 -0,007 -0,025 -0,032 -0,002
X, м -0,197 -0,197 -0,205 -0,205 -0,202 -0,254 -0,193 -0,205
^ м 0,001 -0,010 0,006 0,009 0,017 -0,002 0,000 0,019
Z, м -0,022 -0,031 -0,018 -0,013 -0,004 -0,008 -0,023 0,001
D, м 0,017 0,017 0,009 0,009 0,013 -0,037 0,021 0,010
dx, м 0,013 0,013 0,005 0,005 0,008 -0,043 0,017 0,005
dy, м 0,022 0,011 0,026 0,030 0,038 0,019 0,021 0,040
dz, м 0,042 0,033 0,046 0,051 0,060 0,056 0,041 0,065
dh, м 0,015 0,001 0,020 0,026 0,039 0,021 0,013 0,044
Примечание: Вариант обработки наблюдений, скорректированных ЗТЗ, обозначен цифрой 1, вариант обработки исходных наблюдений - 2. Пустые столбцы обозначают, что фиксированное решение не было получено (например, из-за большого количества срывов циклов).
1. Trimble Geomatics Office. Руководство пользователя программного обеспечения [текст]. - Ноябрь 1999 г. - 126 с.
2. Фролова Е.К. Эволюция моделей тропосферной задержки для GPS-измерений [текст] // Современные проблемы геодезии и оптики. LIII международная научнотехническая конф., посв. 70-летию СГГА. Сб. мат. конф., Ч. III. - С. 203-205
3. IERS Technical Note 21. IERS Conventions (1996) [текст] / D.D. McCarthy (ed.) -Paris: Central Bureau of IERS. - Observatoire de Paris, July 1996. - 95 p. - Англ.
4. Davis, J.L. Geodesy by radio interferometry: effects of atmospheric modeling errors on estimates of baseline length [text] / J.L. Davis, T.A. Herring, I.I. Shapiro, A.E. Rogers and G. Elgered // Radio Science, 1985. V. 20, No. 6. - P. 1593-1607. - Англ.
5. Niell A.E. Global mapping functions for atmosphere delay at radio wavelengths [text] / A.E. Niell // J. of Geophysical Research, vol. 101, No. B2. - February 10, 1996. - P. 32273246. - Англ.
6. Эталонный пространственный полигон СГГА: аттестация 2004 [текст] // К.М. Антонович, Ю.В. Сурнин, А.Н. Клепиков, Е.К. Фролова Материалы 7-й межд. Конф. «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2004, Новосибирск, 21-24 сент. 2004. Том 3. Новосибирск: НГТУ, 2004. - С. 259-262.
© Е.К. Фролова, 2005
