ГОУ ВПО «Российский государственный гидрометеорологический университет»

Теоретические основы мониторинга влагосодержания атмосферы

радиосигналами ГЛОНАСС и GPS

Чукин В.В., Алдошкина Е.С., Вахнин А.В.,Нгуен Т.Т., Обрезкова И.В.

Санкт-Петербург, 2010

Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС)

ГЛОНАСС GPS

3

Состав систем ГЛОНАСС и GPS

Комплекс системы Состав

Космический комплекс

- космические аппараты (КА),

- наземный комплекс управления,

- ракетно-космический комплекс

Комплекс наземной аппаратуры потребителей

- любительская приемная аппаратура,

- геодезическая приемная аппаратура,

- аппаратура базовых станций

Комплекс функциональных дополнений

- широкозонная система дифференциальной коррекции,

- локальные дифференциальные системы

Комплекс средств фундаментального обеспечения

- параметры вращения Земли,

- комплекс средств формирования времени,

- средства уточнения астрономо-геодезических параметров

4

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

5

Орбитальная группировка КА ГНСС

0

5

10

15

20

25

30

35

1992 1995 1998 2001 2004 2007 2010

Год

Чи

сло

КА

ГЛОНАСС

GPS

Положение КА GPSна небосводес 05.12.2009 02:56по 05.12.2009 03:56 UTC

6

Параметры космического комплексасистем ГЛОНАСС и GPS

ПараметрГНСС

ГЛОНАСС GPSЧисло спутников 21 30

Число орбитальных плоскостей 3 6

Число спутников в плоскости до 8 до 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

7

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 2010 P, C/A, M P, L2C, M - I, Q

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

8

Спектры навигационных радиосигналов ГНСС

синий — открытые сигналы; красный — закодированные сигналы; серый — недокументированные сигналы

GPS

GLONASS

SBAS

Galileo

QZSS

COMPASS

1560 1570 1580 1590 1600 16101170 1180 1190 1200 1210 1220 1230 1240 1250 1260 1270 1280 1290 1300 Frequency (MHz)

9

Определение местоположения приемных устройств потребителей

10

Задержка радиосигнала в тропосфере

L

tr dlnL0

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

11

Показатель преломления радиоволнв тропосфере

К/Па 1076.7 7

1

k

К/Па 1004.7 7

2

k3

3 10776.3 k

2

3211T

ek

T

ek

T

ePkn

К2/Па

Квоздуха,а температур-T

IIa пара, водяного давление епарциально-e

IIa давление, еатмосферно-P

12

Показатель преломления радиоволнв тропосфере (2)

vd NNn 1

dd RkN 1

vv

vv TRk

RkN

3

2

K)Дж/(кг 054.287 dR

K)Дж/(кг 526.461 dR

v

d

RR

kkk 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

13

Две составляющие части задержки радиосигнала в тропосфере

L L

vdtr dlNdlNL0 0

vdtr LLL

Отсюда видно, что задержку сигнала 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:

14

Гидростатическая задержка радиосигналав тропосфере

)()90()()90()( vvddtr mLmLL

Для расчетов тропосферную задержку радиосигнала удобно представить в виде суммы произведений вертикальной задержки, умноженной на отображающую функцию:

15

Гидростатическая задержка при вертикальном распространении сигнала

m

ddd g

PRkdzRkL 01

01)90(

В случае вертикального распространения сигнала от спутника до приемника, гидростатическая часть задержки равна:

Поскольку приземное атмосферное давление определяется как

00

0 dzggdzP m

где hgm 31000028.02cos00266.01784.9

hP

Ld

30

5

1000028.02cos00266.01102768.2

)90(

Тогда расчетная формула имеет принимает вид (модель Саастамойнена):

16

Гидростатическая отображающая функция

cb

amd

sinsin

sin

1

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

078.0c

0

0

dz

dlm

L

d

По определению, данная функция показывает насколько больше задержка радиосигнала при распространении под данным углом места по сравнению с вертикальным распространением радиосигнала атмосфере, где давление воздуха убывает по гидростатическому закону:

Для аппроксимации данной функции может быть использована формула Ифадиса:

17

«Влажная» отображающая функция

cb

amv

sinsin

sin

1

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

05917.0c

0

0

dz

dlm

v

L

v

v

Для аппроксимации данной функции может быть использована формула Ифадиса:

По определению, данная функция показывает насколько больше задержка радиосигнала при распространении под данным углом места по сравнению с вертикальным распространением радиосигнала во влажном воздухе:

18

«Влажная» задержка радиосигналапри вертикальном распространении

0

02

0 72.02.70 Tdz

Te

dzTe

Tm

PWVTRk

RkLm

vvv

32)90(

0

dzPWV v

Средняя «взвешанная» температура: Влагосодержание в вертикальном столбе атмосферы:

19

Средняя «взвешанная» температура

Пункт a, K b

Санкт-Петербург 65.48±0.83 0.73±0.01

Бологое 63.28±1.01 0.74±0.01

Великие Луки 76.23±0.91 0.70±0.01

Казань 67.35±0.80 0.72±0.01

Смоленск 67.39±0.89 0.73±0.01

Тура 107.23±0.95 0.58±0.01

Ванавара 100.74±1.07 0.60±0.01

Вилюйск 95.65±0.80 0.62±0.01

Оленек 109.16±0.90 0.57±0.01

0

02

0 Tbadz

Te

dzTe

Tm

20

Определение интегрального содержания водяного пара в атмосфере

)90(1

32

v

m

vv L

TRk

RkPWV

Из определения вертикальной задержки радиосигнала во влажном воздухе получается расчетная формула:

Таким образом, для определения интегрального содержания водяного пара в столбе атмосферы необходимы измерения одним приемным устройством задержки сигнала ΔLТР в тропосфере при больших углах места навигационного спутника и приземных значений температуры воздуха T0, атмосферного давления P0, парциального давления водяного пара e0 в точке размещения приемника из которых определяются значения вертикальной гидростатической задержки радиосигнала, гидростатической и «влажной» отображающих функций и средней «взвешенной» температуры воздуха.

21

Определение задержки радиосигналаво влажном воздухе (1)

222

ПРСППРСППРСП ZZYYXXL

2

2

2

1

12

2

2

ffLLf

Lion

ddd mLL 90

v

dion

КОД

v mcLLLL

L

)(

190

5.02

max

2

1

cos1

4.40

zRR

f

TECLion

или

22

Определение задержки радиосигналаво влажном воздухе (2)

1

1111 905.05.090

kvkv

kdkddkk

ФАЗ

k

ФАЗ

k

КОД

k

КОД

kv mm

mmLLLLLLLL

Преимуществом разностного метода является отсутствие влияния ионосферы и учет не самих значений дальностей до КА, а только их изменений за интервал времени.

23

Инерциальная и гринвичская геоцентрические системы координат

WGS-84 ПЗ-90.02Инерциальная

геоцентрическая система

24

Пример файла навигационных данныхв формате RINEX

25

Уравнение движения КА ГЛОНАСС

26

Точность определения местоположенияКА ГЛОНАСС при интегрировании на 30 мин.

27

Точность определения интегрального содержания водяного пара в атмосфере

(Санкт-Петербург, январь-май 2009 г.)

28

Приемная аппаратура радиосигналов ГНСС

Topcon GB-1000

Система: ГЛОНАСС/GPS

Число каналов: 40

Чипсет: Paradigm

Диапазон частот: L1 и L2

GlobalSat BT-338

Система: GPS

Число каналов: 20

Чипсет: SiRF Star III

Диапазон частот: L1

29

Базовая ГНСС станция РГГМУ

30

Получение данных навигационных измерений

Для преобразования в единый формат данных служит программа-декодер. Наиболее распространенным является декодер TEQC

Данные измерений хранятся в файлах в формате RINEX (Receiver Independent Exchange Format)

ГНСС-приемник генерирует поток «сырых» данных в формате, зависящим от производителя оборудования

31

Пример данных измерений псевдодальностейв формате RINEX

32

Сеть базовых ГНСС станций EUREF

33

Система сбора навигационных данных в режиме реального времени

34

NTRIP-маршрутизатор в РГГМУ

35

Пространственное распределение значений вертикальной задержки радиосигнала в

тропосферепо данным сети станций BKG (Федеральное агентство картографии и геодезии), Германия

36

Система обработки навигационных данных

37

Прогноз количества осадков (модель WRF)

38

Заключение

• Использование данной системы позволит обеспечить пользователей информацией о состоянии атмосферы и улучшить точность позиционирования потребителей навигационной информации;

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

39

Спасибо за внимание!

Чукин Владимир Владимирович, канд. физ.-мат. наукАлдошкина Елена Сергеевна, аспирантВахнин Антон Вячеславович, студентНгуен Тонг Там, студентОбрезкова Ирина Владимировна, студент

E-mail: chukin@rshu.ruСайт проекта: http://www.meteolab.ru

Работа выполнена при поддержке ФЦП «Кадры» ГК № П1549 от 09.09.2009