Российский государственный гидрометеорологический университет

Восьмая Международная научно-практическая конференция«ИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ»,

Санкт-Петербург, 27-28 октября 2009 г.

Особенности использования сигналов системы ГЛОНАСС для

дистанционного зондирования водяного пара атмосфере

Чукин В.В., Вахнин А.В., Алдошкина Е.С.

Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС)

ГЛОНАСС GPS

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

Орбитальная группировка КА ГЛОНАСС и GPS

0

5

10

15

20

25

30

35

1992 1995 1998 2001 2004 2007 2010

Год

Чи

сло

КА

ГЛОНАСС

GPS

Параметры космического комплексасистем ГЛОНАСС и GPS

ПараметрГНСС

ГЛОНАСС GPSЧисло спутников 19 30

Число орбитальных плоскостей 3 6

Число спутников в плоскости 8 5-6

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

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 2009 P, C/A, M P, L2C, M - I, Q

Block III 2014 P, C/A, M, L1C P, L2C, M - I, Q

Задержка радиосигнала в тропосфере

L

ТР dlnL0

1Дополнительная задержка радиосигнала, связанная с прохождением через тропосферный слой определяется выражением:

Зависимость тропосферной задержки радиосигнала от высоты спутника над

горизонтом

Показатель преломления тропосферы

К/Па 10760.7 7

1

k

К/Па 10479.6 7

2

k3

3 10776.3 k

ПГC NNn 1

CГC RkN 1

ПП

ПП TRk

RkN

3

2

K)Дж/(кг 054.287 CR

K)Дж/(кг 526.461 ПR

П

C

R

Rkkk 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

К2/Па

Две составляющие части задержки радиосигнала в тропосфере

L L

ПГСТР dlNdlNL0 0

ПГСТР LLL

Отсюда видно, что задержку радиосигнала 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:

Определение интегрального содержания водяного пара в атмосфере

072.02.70 TTm

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

ПLkPWV

На основе результатов измерения задержки радиосигнала во влажном воздухе возможно определение содержания водяного пара в атмосфере по расчетной формуле:

1

32

05917.0sinsin

sin

m

ПП T

RkRk

ba

k

Определение влажной части задержкирадиосигнала в тропосфере

ГСИОНГЕОМИЗМП LLLLL )1(

Для определения задержки радиосигнала, связанной с наличием в атмосфере молекул водяного пара, необходима информация об истинном расстоянии от приемника до передающей антенны спутника, данные измерений дальности до спутника, значение ионосферной задержки и гидростатической части задержки радиосигнала в тропосфере:

Дальность до навигационного спутника

222

ПРСППРСППРСПГЕОМ ZZYYXXL

При известном положении стационарного навигационного приемника (базовой станции) и рассчитанном положении спутника в пространстве возможно определение геометрической дальности до спутника:

Инерциальная геоцентрическая и гринвичская геоцентрическая

системы координат

Угол между инерциальной и гринвичской координатными системами, истинное

солнечное время

Преобразования систем координат при вычислении положения навигационного спутника ГЛОНАСС на заданный момент

времени

WGS-84 ПЗ-90.02Инерциальная

геоцентрическая система

Географические координаты

Локальная система

координат

RINEX-файл. Основной источник данных о координатах спутника

Интерфейсный контрольный

документ ГЛОНАСС. Основное

руководство используемое при расчете координат

положения спутника

Дифференциальные уравнения, описывающие положение спутника

Астрономические формулы для расчета лунных и солнечных ускорений

Ошибки вычисления положения навигационных спутников ГЛОНАСС

Способы улучшения точности вычисления координат навигационных спутников

ГЛОНАСС

• Уточнение астрономических формул из научных источников

• Использование истинного звездного времени• Применение более точных методов интегрирования• Использование координат спутников в системе ПЗ-90.02

Задержка радиосигнала в ионосфере

При использовании двухчастотного навигационного приемника ионосферная задержка радиосигнала рассчитывается следующим образом:

2

2

2

1

)1()2(

2

2

ff

LLfL ИЗМИЗМ

ИОН

В случае одночастотных измерений:

5.02

max

2

1

cos1

4.40

zRR

f

TECLИОН

TEC из http://sol.spacenvironment.net/~ionops/current_files/current_TEC_data.txt

R = 6 371 221 м

zmax = 432 500 м

Гидростатическая часть задержки радиосигнала в тропосфере

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

Гидростатическая часть задержки может быть определена по формуле, использующей модель Саастамойнена и отображающую функцию Ифадиса:

078.0sinsin

sin

102768.2 0

5

b

ag

PL

m

ГС

hgm 31000028.02cos00266.01784.9

Точность определения интегрального содержания водяного пара в атмосфере

(Санкт-Петербург, январь-май 2009 г.)

Заключение

• Система ГЛОНАСС позволяет определять содержание водяного пара в атмосфере с приемлемой точностью;

• Получение информации о содержании водяного пара в атмосфере одновременно с помощью систем ГЛОНАСС и GPS позволит увеличить качество и оперативность метеорологического обеспечения;

• Использование оперативной информации о содержании водяного пара в атмосфере в численных моделях прогноза погоды позволит улучшить детализацию данных и точность региональных краткосрочных прогнозов погоды.

Спасибо за внимание!

Российский государственный гидрометеорологический университетКафедра экспериментальной физики атмосферы

канд. физ.-мат. наук, Чукин Владимир Владимировичстудент, Вахнин Антон Вячеславович,аспирант, Алдошкина Елена Сергеевна

E-mail: chukin@rshu.ruСайт проекта: http://gnss-meteo.ru

Работа выполнена при поддержке гранта ГК №П-1549

Российский государственный гидрометеорологический университет