МЕТОД МИКРОВОЛНОВОЙ РАДИОМЕТРИИ В ЗАДАЧАХ ТРОПОСФЕРНОЙ КОРРЕКЦИИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОСИГНАЛОВ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 551.551

Метод микроволновой радиометрии в задачах тропосферной коррекции распространения радиосигналов глобальных навигационных систем

Караваев Д.М., Щукин Г.Г. Аннотация: Рассмотрен метод микроволновой радиометрии в задаче тропосферной коррекции и для контроля задержки радиосигналов спутниковых навигационных систем. Представлены некоторые результаты экспериментальных исследований вариаций "влажной" компоненты задержки радиоволн в атмосфере с помощью радиометра, работающего на частотах около 22 ГГц и 36 ГГц.

Ключевые слова: микроволновый радиометр, влагозапас атмосферы, задержка радиосигналов.

Microwave radiometry in the problems of tropospheric radio propagation correction of global navigation systems

Karavaev D.M., Shchukin G.G. Abstract: The paper considers the microwave radiometry method in the tropospheric correction task and for controlling radio signals delay of satellite navigation systems. We present some results of experimental research of variations of "wet" delay in the atmosphere with the help of the radiometer operating at frequencies of about 22 GHz and 36 GHz.

Key words: microwave radiometer, integrated water vapor, wet delay.

Введение

Радиосигналы радиотехнических навигационных систем при распространении в атмосфере земли испытывают ослабление и задержку за счёт влияния газов атмосферы, облаков, осадков и других компонентов. При повышении требований к точности координатных измерений космическими навигационными системами возникает проблема коррекции эффектов распространения радиоволн в тропосфере земли [1], перспективной задачей ставится развитие метода оперативного контроля задержки радиосигналов в тропосфере с погрешностью 1-3 мм.

Метод микроволновой радиометрии получил развитие в начале 60-х годов и нашёл применение для определения профилей температуры и влажности атмосферы, влагозапаса атмосферы, водозапа-са облаков [2]. Преимущества метода радиометрии связаны с возможностью проведения непрерывного контроля радиохарактеристик атмосферы, в том числе

наиболее изменчивой «влажной» компоненты задержки сигналов в атмосфере практически при любой погоде.

Модель тропосферы

Радиохарактеристики атмосферы, определяющие условия распространения радиосигналов в тропосфере, определяются коэффициентом преломления воздуха или комплексной диэлектрической проницаемостью воздуха. Причём, задержка определяется вещественной частью коэффициента преломления среды распространения. В качестве удобной характеристики атмосферы также используется индекс рефракции N(2), который связан с коэффициентом преломления воздуха. В длинноволновом участке микроволнового спектра индекс рефракции свободной атмосферы определяется в основном недисперсионной частью индекса рефракции, дополнительный вклад в условия распространения радиоволн в тропосфере вносят жидкокапельные и кристаллические обла-

ка, осадки, аэрозоли. Задержка (Ь) определяет дополнительный, по сравнению с условиями распространения радиоволны в вакууме, путь в единицах длины, что для случая наблюдения в зенит записывается как [1]:

Г Ж р

¿¿ = I [п(г) - 1]йг = I 10~6Ы(г) йг,

где п(г) -коэффициент преломления атмосферного воздуха на высоте г; Щ(г) -индекс рефракции.

Для свободной атмосферы задержка радиосигналов определяется суммой гидростатической (Ь^) и «влажной» (Ьд) компонент, причем:

-f

-f

Кг

Vdif)

T(z)\

e(z)

+ К3

Zd1dz,

e(z)

)

Za 1 dz,

Т(г)' "*Т2(г) где е(г) - парциальное давление водяного пара; р(г) - давление сухого воздуха; Т(г) - абсолютная температура воздуха; 2 ц1, 2Ц1 - корректирующие коэффициенты; К - эмпирические коэффициенты.

Задержка радиосигналов в тропосфере зависит от угла места. При углах более 10 градусов к горизонту может быть использовано соотношение, описывающее зависимость задержки от угла места:

¿¿(в) = т(в)~Ч(90),

где т(в) - функция, определяющая зависимость задержки от угла места.

Используя статистику аэрологических данных для конкретного географического места можно получить простое соотношение для оценки задержки сигналов в тропосфере земли на основе измерений вла-гозапаса атмосферы и приземного давления, которое имеет вид:

Ьt = b0+blP0 + b2Q + b3W, где Ьг - коэффициенты регрессии, получаемые на основе статистического ансам-

бля; Р0 - приземное давление из стандартных метеорологических измерений у земли; Q - влагозапас атмосферы; Ж - водозапас облаков, полученные из результатов радиометрических измерений характеристик радиотеплового излучения атмосферы. Заметим, что погрешность определения по измерениям приземных метеопараметров по предварительным оценкам может составлять 2 мм при погрешности измерения приземного барометрического давления 1 ЬРа.

Из анализа полученных данных, можно сделать вывод, что около 80% задержки (или более) обусловлено гидростатической компонентой, которая в основном определяет задержку радиосигналов в тропосфере Земли. Другой по значимости является «влажная» компонента, которая может составлять около 40 см в тропической зоне земного шара и доли сантиметров в полярной области. Особенностью является тот факт, что «влажная» компонента является наиболее изменчивой как в пространстве, так и во времени, что определяет трудности построения простых моделей для адекватного описания «влажной» компоненты задержки. Существенные изменения профиля индекса рефракции, а, следовательно, задержки радиосигналов в тропосфере могут быть вызваны различными причинами: сезонными, синоптическими изменениями метеоусловий, мезо-масштабными процессами в атмосфере и т.д. Использование многочастотных микроволновых радиометров позволяет оперативно определять профили температуры и влажности в атмосфере, влагозапас атмосферы [2], следовательно, определять профиль индекса рефракции и задержку радиосигналов в тропосфере. «Влажную» компоненту задержки Ьц возможно определять также с помощью микроволнового радиометра, принимаю-

щего собственное радиотепловое излучение атмосферы вблизи линии поглощения водяного пара 22,235 ГГц, при этом оптимальные рабочие частоты выбираются в диапазоне 20-25 ГГц. Дополнительные измерения на частотах около 36 ГГц позволяют решать задачу при наличии облачности. В случае двухчастотного зондирования облачной атмосферы (без осадков) может быть определена из соотношения:

Ьч=а0 + а1т(/1) + а2 т(/2),

где т/ - оптическая толщина атмосферы на частоте/; а; - коэффициенты регрессии (среднеклиматические значения, полученные по данным аэрологического зондирования атмосферы и моделям облачной атмосферы).

Результаты эксперимента

Экспериментальные исследования атмосферы с помощью наземного радиометра (21 ГГц, 36,5 ГГц) проводились в течении ряда лет [3]. На основе полученных данных о радиотепловом излучении атмосферы в различных регионах (над океаном и над сушей) выполнены исследования временной изменчивости «влажной» компоненты задержки радиосигналов в тропосфере при различных метеоусловиях. В качестве примера, на рис.1 приведён временной ход «влажной» компоненты задержки в зените в январе и июле для Ленинградской области.

Как следует из экспериментов, в Северо-Западном регионе России Ьч как правило, составляла не более 30 см. Выявлены регулярный сезонный ход «влажной» компоненты задержки и синоптически обусловленная составляющая в изменениях Ьд. В таблице 1 представлены средние значения и средние квадратические отклонения (СКО) «влажной» составляю-

щей задержки для января, октября и июля (Ленинградская область) и апреля (Северная Атлантика).

Рис. 1. Временная изменчивость «влажной» компоненты задержки в зените

Таблица 1. Средние значения «влажной» компоненты задержки в зените и их СКО для различных сезонов года

Сезон, координаты Lq, см Sq, см

Апрель, (48°С, 46°З) 11.41 5.52

Июль, (60°С, 31 °В) 16.24 3.71

Октябрь, (60°С, 31 °В) 8.06 3.24

Январь, (60°С, 31 °В) 5.33 1.98

Эти данные отражают сезонную изменчивость «влажной» компоненты задержки в атмосфере в зените. Как показали эксперименты, значительные вариации «влажной» компоненты задержки могут наблюдаться в области атмосферных фронтов и в период развития мощных конвективных облаков (гроз).

Сравнительные эксперименты показали удовлетворительное согласие микроволновых измерений «влажной» составляющей задержки в зените с данными аэрологического зондирования. В частности, для условий Ленинградской области при водозапасах облаков менее 1 кг/м2 (без осадков) СКО (радиометр - радиозонд) составляла 5-10 мм.

Заключение

Разработан метод микроволновой радиометрии для решения задачи оперативного контроля «влажной» компоненты задерж-

ки радиосигналов в тропосфере Земли. Из результатов экспериментальных микроволновых исследований радиотеплового излучения атмосферы получены статистические оценки «влажной» компоненты задержки радиосигналов в различные сезоны для Ленинградской области. Выявлены аномальные изменения радиохарактеристик атмосферы в области атмосферных фронтов и в период развития мощных конвективных (грозовых) облаков.

Литература

1. Щукин Г.Г., Караваев Д.М. Применение дистанционных методов зондирования атмосферы в задачах координатно-временного и

навигационного обеспечения // Труды ИПА, вып. 23, 2012. С. 411-414.

2. Степаненко В.Д., Щукин Г.Г., Бобылев Л.П., Матросов С.Ю. Радиотеплолокация в метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 283 с.

3. Караваев Д.М., Щукин Г.Г. Применение методов СВЧ-радиометрии для диагноза содержания жидкокапельной влаги в облаках. Прикладная Метеорология, вып.5(533) 2004, С. 99-120.

References

1. Stepanenko V.D., Shchukin G.G., Bobilev L.P., Matrosov S.Y. Radioteplolokatsia v meteorologii. L.:Gidrometeoizdat, 1987, 283 p.

2. Shchukin G.G., Karavaev D.M. Trudi IPA, v.23, 2012. pp.411-414.

3. Karavaev D.M., Shchukin G.G. Priklad-naia meteorologia, v.5(533), 2004, pp.99-120.

Поступила 15 декабря 2012 г.

Информация об авторах

Караваев Дмитрий Михайлович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского.

E-mail: dm.karavaev@mail.ru.

Щукин Георгий Георгиевич - доктор физико-математических наук, профессор Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского.

E-mail: ggshchukin@mail.ru.

Адрес: 197082, С-Петербург, Ждановская, 13.

Karavaev Dmitriy Mihailovich - the kandidat of Engineering, the science of the Mozhaiskiy Military Space academia.

Shchukin Georgy Georgievich - the Doctor of Physics, the professor of the Mozhaiskiy Military Space academia.

Address: 197082, S-Petersburg, Jdanovskaia, 13.