CC BY
305
УДК 629.783
К.М. Антонович, Е.К. Фролова СГГ А, Новосибирск
ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ГНСС ТЕХНОЛОГИЯХ
Исторически главными источниками ошибок, которые последовательно уменьшали и исключали для достижения максимальной точности геодезических построений, были: ионосферная рефракция, ошибки орбит, моделирование фазового центра антенн, многопутность и рассеяние сигнала ближайшим окружением приемника и тропосферная рефракция. Сейчас точность определения координат относительным методом для средней длины пространственных векторов в плане достигает 1-2 мм и 5-10 мм по высоте [1]. Тропосферная рефракция является одной из основных причин более грубого определении высоты спутниковыми методами.
Тропосферная задержка, в самом первом приближении, записывается как интеграл показателя преломления среды n по пути прохождения сигнала от спутника к приемнику. В свою очередь, показатель преломления в общем случае является функцией от физических характеристик нейтральной атмосферы, температуры T, давления P, и влажности воздуха f, или парциального давления водяных паров е, называемых так же метеорологическими элементами. Таким образом, получение информации о состоянии тропосферы для ее моделирования и учета влияния, является одной из задач повышения точности спутниковых определений.
Большая часть методик измерения характеристик атмосферы основана на контактных способах: датчики, устанавливаемые на самолетах, шары-пилоты, метеорологические или геофизические ракеты, метеостанции. Другую группу способов получения метеорологической информации представляют дистанционные методы, куда относят зондирование посредством локационных радиоэлектронных систем.
Наземная метеорология. Наблюдения за текущим состоянием тропосферы осуществляются гидрометеорологической службой России для анализа и прогноза погоды. С этой целью уже более 70-ти леи развивается гидрометеорологическая сеть России, на станциях которой регулярно проводится более 15 видов измерений. Сейчас на сайте «Погода России» (http: //meteo. infospace.ru)
в стадии разработки находится архив погоды, который хранит в базе данных информацию об измерениях метеорологических параметров порядка 5 000 станций по всему миру начиная с декабря 1998 года. В одной только Новосибирской области таких станций 42, и их показания с 2000 года доступны в электронном виде.
Большая часть метеорологических станций в наше время имеет автоматические системы регистрации метеопараметров. Производителей подобных систем множество, среди них таки корпорации как: Paroscientific
(США), \^а1а (Финляндия), Rotronic (США), LAB-EL (Elektronika Laboratoryjna, Польша). Требования к качеству метеорологических приборов, используемых при точных спутниковых определениях, достаточно высоки: точность отсчитывания температуры 0.1°, давления - 0.1 мбар, влажности - 1 -2%.
Несмотря на достаточно густую сеть метеорологических станций, их положение редко совпадает с пунктами спутниковых наблюдений. Использование автоматических метеосенсоров так же весьма проблематично при геодезических работах, поэтому обычными приборами для измерения метеорологических элементов на пунктах спутниковых наблюдений остаются барометры, термометры и психрометры или гигрометры.
Основной недостаток поверхностных измерений состоит в том, что полученные метеоданные в общем случае являются слабым индикатором распределения влажности по пути распространения сигнала между спутником и приемником. Получается, что сбор метеоданных, являющийся сам по себе сложной задачей, зачастую дает совершенно ошибочные данные.
Аэрология и радиозондирование. Близость к земной поверхности и локальные аномалии в погодных условиях затрудняют сбор объективной информации в непосредственной близости от приемника. Динамические процессы в атмосфере сглаживают эти эффекты, начиная с высот около 100 м над поверхностью, поэтому для определения метеорологических элементов на значительных высотах используют аэрологические наблюдения.
Запускаемый радиозонд, находясь в полете, посылает радиосигналы, передающие значения метеорологических элементов в высоких слоях атмосферы. В радиолокации используют электромагнитные волны от декаметрового до субмиллиметрового диапазона, что позволяет обеспечить большие дальности локации. Запуски производятся как с поверхности (на шаре с метеорологической станции), так и с некоторой высоты (радиозонды Vaisala сбрасываются на парашюте борта самолета).
Расшифрованные сигналы радиозондов обрабатываются на станции наблюдений и передаются в региональный гидрометеоцентр для дальнейшего анализа и использования для прогноза погоды и передачи заинтересованным потребителям.
Причины, по которым использование аэрологической информации для обработки данных спутниковых наблюдений в Российской Федерации не получило широкого распространения следующие:
- Разреженность аэрологической сети страны. Регион Западной Сибири, вблизи Новосибирска, обеспечивает всего 5 постоянно действующих станций (Колпашево, Барнаул, Куйбышев, Новосибирск, Александрово);
- Недостаточная частота запуска зондов (один раз в сутки);
- Информация в региональных гидрометеорологических центрах хранится на магнитных лентах и ее крайне сложно получить удаленным пользователям.
Радиометры водяных паров. Перепады температуры и влажности в приповерхностном слое атмосферы метеорологи измеряют радиотеплолокационным методом, используя радиометры паров воды. Радиометр представляет собой очень чувствительный радиоприемник, который измеряет яркостную температуру (то есть энергию излучения) всех молекул паров воды вдоль линии, по которой направлена пассивная антенна. Обычно они работают на двух частотах: 23.8 ГГц для измерения содержания паров воды, и 31.4 ГГц для измерения содержания жидкой воды в облаках. Разность яркостных температур на этих волнах определяется интегральным содержанием и температурой водяных паров вдоль луча. [3]
Одним из преимуществ радиометрического исследования в отличие от аэрологического зондирования является возможность получения профиля распределения водяных паров вдоль некоторого направления, которое можно совместить с направлением на спутник. Таким образом, может быть установлена влажная составляющая тропосферной задержки для данного направления с точностью, не хуже чем 10 мм. Для получения такой точности радиометры калибруются по дифференциальным измерениям показателя преломления с использованием спектральных гигрометров, радиозондов или других методов измерений паров воды, чтобы исключить возможные систематические ошибки. Измерения базовых линий при этом могут получаться с миллиметровой точностью.
Основным недостатком радиометров является их стационарность, дороговизна изготовления (около $200 000 на пункт). Радиометры водяных паров невозможно использовать при выпадении на пункте осадков.
Лазерные локационные системы. Лазерные локационные системы, называемые лидарами, основаны на использовании таких свойств оптического излучения как комбинационное рассеяние, дифференциальное поглощение и флуоресценция. Само название образовано из английской аббревиатуры этой технологии Laser Imaging Detection And Ranging.
Лазерный зонд на своем пути непрерывно посылает часть рассеянных фотонов из разных слоев атмосферы, таким образом, можно получить профили распределения с высотой температуры, влажности, давления, скорости и направления ветра. Используя эффект Доплера, лидарная аппаратура позволяет измерять скорость и направление ветра от поверхности Земли до высоты 15 километров, распределение влажности в тропосфере и нижней атмосфере (около 30 км), а температуры - около 100 километров.
В последние десятилетия создаются новые лидары на базе современных лазеров. Они не только позволяют повысить точность измерений, но и дают возможность измерять сразу несколько характеристик атмосферы.
Ориентировочные затраты на изготовление одного такого прибора, в зависимости от комплектации и объема получаемой информации могут составить от 500 тысяч до 1,2 миллиона долларов США.
В зависимости от комплектации лидара и объема получаемой информации масса и размеры могут изменяться - от переносного варианта до размещения его в легковом автомобиле, на самолете или вертолете с
питанием от бортовой сети электроснабжения, без дополнительных источников электроснабжения.
Однако, как лидары, так и микроволновые радиометры паров воды вряд ли будут использоваться в ближайшем будущем при обычных спутниковых измерениях. Исключение могут составить станции мониторинга, например станции Международной ГНСС службы.
Использование цифровой модели погоды. В Лаборатории систем прогноза (Forecast Systems Laboratory, FSL) Национального океанического и атмосферного управления США разработана цифровая модель погоды, называемая Mesoscale Analysis and Prediction System, (Среднемасштабная система анализа
и предсказаний, MAPS) (http://maps.fsl.noaa. gov). Цифровые модели погоды в отечественной метеорологии носят название цифровых моделей метеорологических параметров. Модель MAPS предназначена для обеспечения ежечасного анализа обычных и новых источников данных для США и смежных территорий для поддержки авиации и других пользователей. Исходными данными для MAPS являются четыре типа метеорологических наблюдений, включающих: (1) радиозонды, (2)
наблюдения с коммерческих воздушных судов, (3) наблюдения с 35 тропосферных профилей ветров, размещённых, в основном, в центре США, и (4) традиционные поверхностные измерения температуры давления, влажности и других величин. Метеорологические продукты MAPS даются для сетки, которая охватывает континентальную часть США. Текущее запаздывание, связанное с обработкой данных MAPS, равно 21 минуте после каждого часа.
Анализ показал, что текущая версия MAPS может приводить к улучшению в точности GPS высот, когда продолжительность сессии короче 2 часов. Для сессий более длинных, чем 2 часа, сравнительно точные высоты можно получать, используя менее точную сезонную модель путём введения соответствующих мешающих параметров в процессе оценивания высот.
Аналогичное направление по использованию цифровых прогнозов погоды (Numerical Weather Predictions, NWP) развивается в Западной Европе [4]. Модель NWP содержит информацию об атмосфере (температура, влажность, направление и скорость ветра) от поверхности Земли до высоты 30 км. Основой модели являются наблюдения, собранные по всему земному шару, главным образом наземным оборудованием, но также по радиозондам, датчикам с самолетов трансатлантических рейсов, микроволновых радиометров. Достигаемая точность определения тропосферной задержки вдвое выше, чем при использовании модели стандартной атмосферы.
Определение тропосферной задержки по фазовым GPS измерениям. В 1990-е годы появился ряд исследований, показывающих, что с помощью GPS измерений можно успешно определять содержание паров воды в нейтральной атмосфере. При этом точность совсем ненамного уступает результатам, достигаемым с помощью радиозондов и радиометров паров воды. В дополнение к этому, система GPS обеспечивает более качественное
пространственное распределение измерений, чем другие методы. Как следствие, GPS измерения становятся ценным источником информации о количестве осаждаемых паров воды для предсказания погоды. Для этого метеорологи оценивают различные способы использования данных GPS в численных моделях прогноза погоды. Для геодезистов же задержка в распространении сигналов, вызванная нейтральной атмосферой, остается одним из главных факторов, ограничивающих точность прецизионного позиционирования. Точность, ожидаемая во многих геодезических приложениях, требует применения хорошо настроенной схемы обработки, в которой особое внимание должно уделяться методам учета тропосферных ошибок. Миллиметровая точность, необходимая для GPS оценок содержания осаждаемых паров воды для ее использования в метеорологии, а также точности, необходимые сегодня в геодезии, придают особое значение тому вниманию, которое уделяется проблеме оценивания тропосферных задержек.
Для многих станций МГС даются значения влажной или влажной и полной тропосферных задержек. Точность этих данных около 4 мм, задержка в данных 4 недели. Данные обновляются еженедельно. Использование этих данных в обработке наблюдений ограничивается научными программными продуктами, коммерческое программное обеспечение на использование этих данных не рассчитано.
Таким образом, можно заключить, что в задачах геодезии ограниченных точностью 1 х 10‘6 для учета тропосферной задержки достаточно использовать стандартные модели распределения метеоэлементов или
7 8
результаты наземной метеорологии. Для более точных работ (10- - 10- ) простых моделей уже недостаточно. В этом случае оптимальным будет оценивать тропосферную задержку по сигналам ГНСС. Этот метод не требует дополнительного оборудования на станции наблюдений, что является его несомненным достоинством.
Весьма вероятным методом определения метеорологических параметров в ближайшем будущем станет использование моделей числового анализа погоды. Этот метод оптимален для кинематических наблюдений в режиме реального времени. Уже сейчас использование цифровых моделей погоды позволяет улучшать качество вычисления гидростатической составляющей тропосферной задержки в 1,5 раза по сравнению с обычными наземными метеонаблюдениями на пункте. Цифровые модели погоды не только сами по себе ценны для определения метеопараметров, они способны значительно улучшить результаты оценивания тропосферной задержки из спутниковых наблюдений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Teunissen, P.J.G. GPS for geodesy. Teunissen P.J.G., Kleusberg A. (Eds.). [text] / P.J.G. Teunissen, Y. Bock, G. Beutler et. al - Berlin: Springer, 1998. - 650 p. - Англ.
2. Кравцов Ю.А. Наблюдение океана из космоса при помощи микроволновых радиометров // Соросовский образовательный журнал. - 1999. - № 7. - С. 103 - 107.
3. Alber, C. GPS surveying with 1 mm precision using corrections for atmospheric slant path delay [text] / C. Alber, R. Ware, C. Rocken, F. Solheim // Geophysical Research Letters, Vol. 24, No. 15. - August 1997. - P. 1859-1862. - Англ.
4. Jensen, A.B.O. Integrating Numerical Weather Predictions in GPS Positioning [Electronic resource] / A.B.O. Jensen, C.C. Tscherning, F. Madsen. - 2002. - 8 p. - Англ. -Режим доступа: http://www2.imm.dtu.dk/~aj/paper54.pdf
© К.М. Антонович, Е.К. Фролова, 2006
