CC BY
42Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 7 (2014 7) 839-845
УДК 629.056.8
Mapping of Tropospheric Delay of GLONASS/GPS Signals with use Satellite Remote Sensing Data of the Atmosphere
Valentin B. Kashkin* and Aleksandr O. Klykov
Siberian Federal University 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041, Russia
Received 19.07.2014, received in revised form 14.08.2014, accepted 28.09.2014
The estimation of the tropospheric delay based on satellite remote sensing data of the atmosphere is discussed. A technique for calculating and plotting of tropospheric delay maps is proposed. The winter and summer maps of delay covering large areas are given. Wet component of the tropospheric delay is distributed unevenly throughout the study area and varies considerably during the day.
Keywords: GLONASS / GPS signals, vertical profiles of troposphere, maps of the tropospheric delay.
Построение карт тропосферной задержки сигналов ГЛОНАСС/GPS по данным спутникового дистанционного зондирования атмосферы
В.Б. Кашкин, А.О. Клыков
Сибирский федеральный университет Россия, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
Обсуждается оценка зенитной тропосферной задержки на основе данных спутникового зондирования атмосферы. Описана методика вычисления и построения карт тропосферной задержки. Получены карты задержки, охватывающие большие территории зимой и летом. Влажная составляющая тропосферной задержки распределена неравномерно по территории и существенно изменяется в течение дня.
Ключевые слова: сигналы ГЛОНАСС/GPS, вертикальные профили атмосферы, карты тропосферной задержки.
Введение
Основной проблемой при решении задач глобального спутникового позиционирования считают определение расстояния между спутником и наземным приемником [1]. Сложность заключается в том, что результатом измерения является псевдодальность, включающая реаль-
© Siberian Federal University. All rights reserved Corresponding author E-mail address: rtcvbk@rambler.ru
*
ное расстояние до спутника и погрешности, связанные с неточностью определения эфемерид и другими причинами. Серьезными источникам и погрешности выступают дополнительные по сравнению со свободным пространством задержки сигналов в ионосфере и в нижней части атмосферы. Дополнительную задержку в ионосфере называют ионосферной задержкой. Дополнительную задержку в нижней, нейтральной части атмосферы (тропосфера, тропопауза и стратосфера) принято называть тропосфедной задержкой. Величина задержки зависит от физических свойств атмосферы и от путз, который сиена л проходит через атмосферу.
В настоящее оремя для учета тропосфедной задержки используют математические модели, которые прогнозируют значение оадержки по наземным метаорологическим параметрам: температуре, влсжности и давлению в точке приема сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) [2]. В тропосферной задержке выделяют сухую (гидростатическую) и влажную компоненты. Задержка, возникающая при прохождении сигнала в среде без учета водяного пара (сухая задержка), может быть определена с достаточной точностью. Задержку за счет водяного пара (влажную задержку), на которую при ходитоя около 10 % от общей! задержки, учеать соожеее, так как водяной пар в тропоефере рсспределен неравномерно и крайне изменчив.
Для более точоооо определения тропосферной задержки можно использовать данные о вертизальных профилях тропос феры, получаемые с помощью спутникового дистанционного зондирования атмосферы Земли [2] .
Принцип работы систем глабаленооо спутнзковоеа позиционированая основан на определении расзтояния от космического апетрата до наземноео приемника. Фактичеаки замеряют время, ао кетороз радиоволна проходит пу ть. В результате получаем не реальное расстояние Я, а псевдодальность РЯ [1]:
где ¿/ион - задержка а ионосфере; й,троп - зодержка в тропосфере ; 5/- разность хода часов на спутнике и приемнике ; ¡л - прочие погрешности.
Величина пропосферной задержки аависит от температуры, давления, с одержания водяного пара 15 лтолбе нижней атмасферы е о т угла возеышения спутника относительно приемника. В случаях, когда угол возвышения равен 0°, говорят о зенитной тропосферной задержке (ЗТЗ).
Скорость распространения радиоволн с и показатель преломления п нейтральной атмосферы связаны с температурой Т, давлением р и парциальным давлением водяного пара е в этой среде соотношениями [3]:
сда с0 -е с корость света в вакууме, м/с; Т-температура, 1С;р и е выражены в гПа.
Пусть электромагнитная волна проходит одинаковый путь от точки хх до точки в среде и в вакууме. Так как скорость в среде меньше, чем в вакууме, то волна в среде отстанет на время Дт:
Материалы и методы исследования
PR=R + bt + й?ион +ж+£,
(1)
(2)
Ат = [ — dz - [ — сЬ = — \(п - 1) dz. (3)
V /1 V /1 /1 V
z1 0 z1 0 — z1
Тропосферная задержка, выраженная в единицав расстояния:
п = $ (п- 1) ск. (4)
Разобьем ор опосферх нт изоба,ические слои, определим показатель преломления среды п, .для каждого слоя и оце ним зенитную задержку Д, в им слое толщиной! ^ 1сак
л/. = /,.(«. - 1),
величина п1 определяется по формуле (2), входяпеее в неё парциальное давление водяного пара е, вычисляется как
7,665x1
е, =6,1 0 7 0 x 10243-33+' х и. / 100, (5)
сдв / -е средняя температура, °С в слое и и, - средняя относительная влажность слоя, %.
Просуммировав задержки во всех слоях, мы получим полное значение зенитной тропосферной задержки.
Очевидоо, что для использования этого метода расчета необходимо знать метеопараметры тропосферы на различнысвысотах. Источником данных о вертикальных профилях тропосферы служат искусственные спутники Земли, например, космические аппарзты серии NOAA РСША).
Вертикальный профиль атмосферы - способ) продставлсния данных о б атмосфере, где данные представтены ееслаями» по высоте. В еретика льные профили обычно содержат такую информацию, как влажность, температура, направлание и скорость ветра, высота над уровнем мо ря [4].
Приборы АТОУВ регистрируют интенсивнооть собственного излучения Земли в отдельные учссттах полос поглогцения утлесислого гееа и водяного пара в инфракрасном диапазоне и в радиодиупсзоне. Возбвждение линий иеи полос в епектраа газов зависит от параметров соснояния атмосЯерх1 (температуры, давленая, концентрации поглотителя). Это приводит к тому, что в каждом зпектральном интервалт излученое рааных слоев атмосферы имеет разный удельный вус, и потому вклад рходящего излучения отдслоных слоев атмосферы в различные очастки спектра неоданаков. Внутри определенной полосы поглощения существуют интервулы, каждый из которек соответствует преиетуще ственно излучению одного более или менее уекого изобарического слоя атмосферы. Восстановление вертикальных профилей осуществляется путем ркшеник обратной задачи. Прибор АТОУ- выдает температуру, влажность, направление и скорость ветра, привязанные непосредственно не к высоте, а к изобарическим уровням [5-7].
В СФУ данные со спутников NOAA и комплекса ATOVS принимаются станцией Алиса™ [8], однако получаемые таким образом данные покрывают только часть территории России и ближнего зарубежья.
Глобальная система сбора данных (GDAS) Air Recourse Laboratory NOAA (ARL) осуществляет обработку и хранение данных о состоянии атмосферы по всему миру [9]. Ее основу составляют данные ATOVS.
Данные хранятся с пространственным разрешением 1° по широте и долготе и временной плотностью 3 ч. Сайт ARL предоставляет ограниченную возможность расшифровки данных для определенных координат и времени, а также данные в архивированном виде. Спецификация формата архивных файлов предоставляется на сайте, но программное обеспечение для их чтения не дается [10].
Сайт ARL позволяет загрузку как недельных архивов, охватывающих весь мир (с плотностью данных около 700 мегабайт на неделю измерений), так и «отрезания» части архива по координатам или времени.
На языке программирования Python были реализованы алгоритмы расчета ЗТЗ на основе формул (2, 4, 5). С использованием особенностей формата архивных файлов GDAS была написана программа, позволяющая извлекать профили атмосферы из этих архивов, охватывающих большие площади.
На основе этих программных продуктов возможно построение карт ЗТЗ на выбранную территорию с пространственным разрешением 1° по широте и долготе. Для визуализации полученных вычислений использовали программное обеспечение Surfer-8.
Результаты и их обсуждение
В работе использованы данные архивов GDAS за январь и июнь 2014 г. для северного полушария. На рис. 1 представлены карты зенитной тропосферной задержки (КЗТЗ), включающие общую задержка, сухую составляющую и влажную составляющую задержки на территории по широте от 0° до 80° и от 70° до 110° по долготе за 29 января, 00:00 UTC.
На рис. 1 видно, что значение общей ЗТЗ в целом увеличивается с севера к экватору. Резкое уменьшение задержки в районе 30-40° с.ш. объясняется наличием района, где высота над уровнем моря достигает 3-4 км и более. Значения сухой составляющей ЗТЗ распределены достаточно равномерно по площади, но здесь также заметна зависимость значения задержки от высоты местности. Влажная составляющая ЗТЗ растет при движении от северных широт к экватору. В это время в районах высокогорья и на севере влажная составляющая незначительна.
На рис. 2 изображена карта зенитной тропосферной задержки, охватывающая широту с 0° до 80° с.ш. и долготу с 70° до 110° в.д. за 29 июня 2014 г., 00:00 UTC.
В целом, летняя карта общей зенитной тропосферной задержки и карта сухой составляющей ЗТЗ похожи на зимнюю КЗТЗ. На карте влажной составляющей также заметно увеличение задержки при движении от севера к экватору, но задержка здесь больше, чем зимой.
Представляет интерес изменение значений зенитной тропосферной задержки на большой территории с течением времени. На рис. 3 показано, как изменилась ЗТЗ (включая полную задержку, сухую и влажную часть ЗТЗ) за 12 ч 29 июня 2014 г. на территории с 0° до 80° с.ш. и 70° до 110° в.д. Этот рисунок получен как разность карты зенитной тропосферной задержки в 00:00 UTC и карты ЗТЗ в 12:00 UTC. Следует отметить, что местное время, например, на меридиане 90°, соответствующее 00:00 UTC, в разных государствах равно 7 или 8 ч, а для 12:00 UTC - 19 или 20 ч. Таким образом, рис. 3 характеризует изменение ЗТЗ в дневное время.
IniMlllptlU^llllI им
Д1П1НА
Рис. 1.Карта зенитной тропосферной задержки за 29 января 2014 г., 00:00 ЦТС
Рис. 2. Карта зенитной тропосферной задержки за 29 июня 2014 г., 00:00 UTC
Из рис. 3 следует, что на большой площади сухая составляющая задержки вблизи экватора в течение 12 ч практически не изменилась. На широтах от 15° до 60° местами утренняя задержка оказалась меньше вечерней на 1 см. В интервале широт 60° до 70° наблюдается «пятно», где утренняя задержка оказалась больше вечерней от 1 до 2,4 см. Исходя из (2) это можно объяснить повышением температуры к 19-20 ч местного времени.
Более существенные изменения на рис. 3 заметны для влажной составляющей ЗТЗ. В среднем на всей территории утренняя задержка оказалась больше вечерней на величину от 1 до 6 см, видны полосы, в пределах которых утренняя задержка меньше вечерней на 3-13 см.
Рис. 3. Изменение зенитной тропосферной задержки 29 июня 2014 г.с 00:00 до 12:00 ЦТС
По-видимому, все это связано с появлением зон повышенной влажности в вечернее время и прохнжде нием атмо сферных фронтов.
Разность карты полной зенинной тропосферной задержки в 00:00 ЦТС и карты полной ЗТЗ в 12:00 ЦТС на рис. 3 трудно отличить от соответствующей корты разности влажных задержек, что свидетельствует о существенном вкнаде влажной задержки в изменении ЗТЗ.
Заключе ние
В настоящне время для у чета тропосферной задержяи используют математические модели, которые прогнозируют значение задержки по метеороло гическим пераметрам, измеренным на Земее в точке приема сигналов ГНСС. В качестве альтернативы предлагается непосредственное вычисление ЗТЗ согласно (2, 4) с использованием распределения метеопараметров по высоте, полученных спутниковым дистанционным зондированием атмосферы. Метод позволяет не только определять ЗТЗ в точке приема сигналов ГНСС, но и строить карты зенитной тропосферной задержки.
В качестве примера построены карты ЗТЗ на область 0°- 80° с.ш. 70°-110 ° в.д. Карты показывают наличие влияния географии местности на ЗТЗ. Видна зависимость значения задержки от высоты местности над уровнем моря. Тропосферная задержка увеличивается при движении от севера к экватору. Влажная составляющая задержки максимальна вблизи экватора. По сравнению с влажной сухая составляющая менее зависит от времени года. Задержка, особенно влажная её часть, может заметным образом изменяться в течение дня.
Список литературы
[1] Перов А.И., Харисов В.Н. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. М.: Радиотехника, 2010. 800 с.
[2] Кашкин В.Б., Владимиров В.М., Клыков А.О. // Успехи современной радиоэлектроники. 2014. № 5. С. 37-42.
[3] Яковлев О.И., Якубов В.П., Урядов В.П., Павельев А.Г. Распространение радиоволн. М.: ЛЕНАНД, 2009. 496 с.
[4] Седунов Ю.С. Атмосфера: Справочное издание. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 509 с.
[5] Кашкин В.Б., Сухинин А.И. Дистанционное зондирование Земли из космоса. Цифровая обработка изображений. М.: Логос, 2001. 254 с.
[6] NOAA TOVS and ATOVS. URL: http://www.class.ngdc.noaa.gov/data_available/tovs_atovs/ index.htm
[7] Кондратьев К.Я. Спутниковая климатология. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 308 с.
[8] Каталог станций приёма спутниковой информации компании «СканЭкс». URL: http:// scanex.ru/ru/stations
[9] EMC: Global Data Assimilation Group Documentation. URL: http://www.emc.ncep.noaa.gov/ gmb/gdas/
[10] Global Data Assimilation System (GDAS1) Archive Information. URL: http://ready.arl.noaa. gov/gdasl.php
