|
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
“ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
Торопа Ігор Михайлович
УДК 528.2:629.78
Вплив регіональних властивостей тропосфери
на результати GPS спостережень
05.24.01 - Геодезія
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Львів - 2005
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України
Захист відбудеться 16 квітня 2005 р. о 14 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради
Д 35.052.13 у Національному університеті "Львівська політехніка" за адресою:
79013, Львів-13, вул.С.Бандери,12, ауд.518 ІІ навч.корпусу.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" за адресою: 79013, Львів, вул.Професорська,1
Автореферат розісланий 15 березня 2005 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,
к.т.н., доцент _____________ Савчук С.Г.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. При швидкому зростанні приладової точності супутникових радіовіддалемірних систем суттєвою перешкодою на шляху підвищення реальної точності результатів вимірювань залишається вплив атмосфери. Дослідженнями впливу атмосфери та його врахуванням на GPS виміри займалися, починаючи від створення системи NAVSTAR, і продовжують цим займатися в наш час.
Проблемою врахування впливу атмосфери на результати GPS спостережень займались відомі зарубіжні вчені H. Baby, A. Berman, H. Black, C. Chao, J. Collins, R. Langley, A. Niell, J. Davis, H. Hopfield, I. Ifadis, G. Lanyi, J. Marini, V. Mendes, J. Saastamoinen, І. Куштін, і вітчизняні - А. Островський, Ф. Заблоцький, Я. Костецька, П. Черняга, І. Тревого, М. Миронов, К. Третяк, О. Прокопов, Б. Джуман, С. Савчук, Н. Каблак, Б. Паляниця та інші.
У програмах, які використовуються для опрацювання результатів GPS спостережень, передбачається можливість використання найбільш відомих аналітичних моделей, які створені, як правило, на основі усереднених глобальних вертикальних профілів метеорологічних величин. З метою більш точного врахування нейтральної атмосфери необхідно враховувати її локальні та регіональні властивості.
У даній роботі зосереджується увага на проблемі дослідження і врахування впливу нижнього шару атмосфери на точне визначення віддалей до супутників у радіодіапазоні за матеріалами зондувань атмосфери, які проводились у західному регіоні України.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконано згідно з тематикою науково-дослідних робіт Інституту геодезії, кафедри інженерної геодезії та Галузевої науково-дослідної лабораторії №102 Національного університету “Львівська політехніка”, а саме – “Дослідження апаратури СНРС” (номер державної реєстрації 0195U026769, 1997р.), “Проведення GPS спостережень при створенні Державної геодезичної мережі України першого класу” (номер державної реєстрації 0100U006130, 2000р.), “Виконання геодезичних робіт по проведенню GPS спостережень на трьох пунктах Державної геодезичної мережі України: Чернівці, Шепетівка, Брюховичі” (номер державної реєстрації 0103U001358, 2001р.), “Супутникові радіонавігаційні спостереження у статичному режимі для визначення координат пунктів спеціальної мережі з точністю 1 класу” (номер державної реєстрації 0104U009761, 2004р.).
Наукова новизна одержаних результатів. Для досягнення високої точності результатів GPS спостережень необхідно враховувати регіональні властивості вертикальних профілів метеорологічних величин та індексу показника заломлення й особливостей їх динаміки.
У результаті проведених досліджень вперше:
- проведено аналіз точності існуючих аналітичних моделей для визначення складових зенітної тропосферної затримки за великим обсягом матеріалів аерологічних зондувань у західному регіоні України в 2002-2003 рр.;
- запропоновано емпіричну залежність зміни індексу показника заломлення водяної пари з висотою;
- встановлені оптимальні для даного регіону межі висот нейтральної атмосфери, до яких потрібно враховувати суху та вологу складові індексу показника заломлення;
- розроблено метод врахування річної динаміки властивостей нейтральної атмосфери в західному регіоні України при визначенні сухої та вологої складових лінійної затримки сигналів супутників, який суттєво підвищує точність врахування впливу нейтральної атмосфери на супутникові спостереження.
Практичне значення одержаних результатів. Використання запропонованих моделей для визначення затримок сигналів супутників дозволить суттєво підвищити точність результатів супутникових спостережень в західному регіоні України.
Основні результати дисертаційної роботи можуть знайти практичне застосування для опрацювання GPS спостережень у західному регіоні України і, зокрема, при створенні високоточних державних геодезичних мереж. Їх можна застосовувати при опрацюванні досліджень рухів земної кори на геодинамічних полігонах, на яких використовують супутникові спостереження.
Окремі результати досліджень використовуються при читанні лекцій з дисциплін “Проблеми точності геодезичних вимірювань” та “Прилади і методи високоточних інженерно-геодезичних вимірювань” у НУ “Львівська політехніка”.
Основні положення, що виносяться на захист:
- встановлено регіональні особливості змін в просторі і в часі метеорологічних параметрів у західному регіоні України;
- досліджено точність врахування впливу нейтральної атмосфери з допомогою існуючих моделей у західному регіоні України;
- визначено оптимальні висоти, до яких потрібно враховувати вплив нейтральної атмосфери при визначенні сухої та вологої затримок;
- запропоновано вдосконалені моделі для визначення складових затримок у західному регіоні України;
- вдосконалено метод визначення лінійної затримки сигналів супутників шляхом врахування періодичних змін властивостей нейтральної атмосфери.
Особистий внесок автора в роботу. Всі наукові положення, що виносяться автором на захист, розроблені та обґрунтовані ним самостійно. У спільних публікаціях автору належать постановка задачі, розробки методів її вирішення та аналіз отриманих результатів.
Автору належать:
- модифікація моделі Saastamoinen для визначення сухої складової затримки сигналів супутника;
- розробка моделі для визначення вологої складової затримки;
- оцінка точності моделей обчислення затримок при GPS спостереженнях у західному регіоні України;
- встановлення оптимальних висот шарів атмосфери, які потрібно брати до уваги для обчислення затримок у західному регіоні України.
Апробація роботи. Основні теоретичні і експериментальні результати наведених в дисертації досліджень доповідались і обговорювались на:
- Науково-технічній конференції “Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва” (Львів 2003);
- Міжнародній конференції “Сучасні технології в геодезії” (Львів - Суховоля, 2003);
- Наукових семінарах кафедри інженерної геодезії НУ “Львівська політехніка”
Публікації. Результати досліджень опубліковані в 5 публікаціях в наукових фахових виданнях.
Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 4 розділів основної частини, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи 120 сторінок машинописного тексту, ілюстрації складають 24 рисунки, 49 таблиць. Список використаних джерел включає 125 найменувань. Додатки містять акти впроваджень результатів досліджень за темою дисертації.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі описано сучасний стан наукової проблеми, обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і основні завдання дисертаційної роботи, вказано наукову новизну, практичне значення одержаних результатів, їх апробацію, подано дані про структуру і обсяг дисертаційної роботи, дані про публікації, впровадження результатів досліджень, зазначено особистий внесок здобувача стосовно основних положень, представлених у роботі.
У першому розділі розглянута будова нижнього шару атмосфери та її вплив на розповсюдження електромагнітних хвиль, наведені алгоритми найбільш відомих аналітичних моделей для визначення сухої (гідростатичної) та вологої (негідростатичної) складових зенітної тропосферної затримки.
У другому розділі проведено дослідження тропосферної затримки за результатами аерологічного зондування та за найбільш відомими аналітичними моделями у західному регіоні України.
Для досліджень нами використано дані аерологічного зондування на станції Львів за період від січня 2002 р. до грудня 2003 р. і аерологічні зондування на станціях Чернівці (січень-грудень 2002 р.) та Ужгород (січень-грудень 2003 р.). Крім цього, для аналізу отриманих результатів та оцінки точності використані дані аерологічних зондувань ще для семи місяців 2004р. (січень-липень).
При дослідженні сухої складової зенітної тропосферної затримки до уваги бралися тільки дні, для яких зондування проводились до висоти не менше ніж 18 км. Для дослідження вологої складової зенітної тропосферної затримки вибрані дні, для яких зондування проводились до нижньої межі тропопаузи.
Для знаходження інтегральної сухої складової зенітної тропосферної затримки використано 156 аерологічних зондувань на станції Львів, які проведені протягом двох років, 79 аерологічних зондувань на станції Ужгород і 109 аерологічних зондувань на станції Чернівці. Суха (гідростатична) складова зенітної тропосферної затримки визначалась числовим інтегруванням за даними аерологічного зондування.
Інтегральна волога складова зенітної тропосферної затримки визначена за матеріалами 215 аерологічних зондувань на станції Львів, які проведені протягом двох років, 94 аерологічних зондувань на станції Ужгород і 148 аерологічних зондувань на станції Чернівці. Волога складова зенітної тропосферної затримки визначалась числовим інтегруванням за даними аерологічного зондування.
За приземними значеннями тиску  , температури  , і парціального тиску водяної пари  знайдено сухі (гідростатичні) складові зенітної тропосферної затримки для кожної аналітичної моделі. До уваги бралися тільки дати, які використані для знаходження інтегральних значень сухої складової зенітної тропосферної затримки. Для цих дат були отримані значення приземних метеорологічних величин на станціях Львів, Ужгород і Чернівці.
Виконано дослідження таких аналітичних моделей для визначення сухої складової тропосферної затримки: двох моделей Saastamoinen: в моделі (SA2) прискорення вільного падіння в центрі мас вертикального стовпа повітря  прийнято для всіх широт і сезонів року 9,784м/с2, а в моделі (SA1) використана залежність
 , (1)
де  – широта пункту спостережень;
 – висота пункту спостережень над рівнем моря в кілометрах;
двох моделей Hopfield (HO): в моделі (НО1) прийнято висоту політропної атмосфери , в моделі (НО2) ; моделі Davis (DA); моделі Куштіна (KU).
Для аналізу затримок, отриманих за різними моделями, обчислені різниці  між затримками, визначеними за результатами аерологічного зондування та затримками, визначеними за аналітичними моделями. Середні квадратичні похибки визначення тропосферної затримки за  -ою аналітичною моделлю для річного періоду  наведені в табл.1.
Таблиця 1
Середні квадратичні похибки  визначення сухої
(гідростатичної) складової зенітної тропосферної затримки за
аналітичними моделями, мм
З отриманих середніх квадратичних похибок бачимо, що найкращі результати для західного регіону України мають три моделі DA, SA1 і SA2. Більші похибки мають моделі KU і HO1. Найбільші похибки отримано для моделі HO2.
Крім цього, наведені результати обчислень сухої складової зенітної тропосферної затримки і для стандартних моделей атмосфери ГОСТ4401-73 (СМА-73) і ГОСТ4401-81 (СМА-81). Результати визначення сухої складової зенітної тропосферної затримки за даними аерологічних зондувань порівнювалися з результатами, отриманими за стандартними моделями атмосфери. Середні квадратичні похибки визначення сухої складової зенітної тропосферної затримки за стандартними моделями атмосфери коливаються від 11,4 мм до 17,0 мм. Використання стандартних моделей для визначення сухої складової зенітної тропосферної затримки атмосфери не дає бажаних результатів для знаходження затримок, бо, як відомо, в цих моделях відсутній параметр вологості і вони не враховують сезонних змін метеорологічних величин.
Для аналізу визначення негідростатичної складової тропосферної затримки взяті такі аналітичні моделі: Saastamoinen (SA); дві моделі Hopfield (в моделі (НО1) прийнято, що висота атмосфери із вмістом водяної пари  =11000м; в моделі (НО2) прийнято, що
згідно з рекомендацією автора моделі); модель Baby (BA); модель Chao (CH) з градієнтом температури  =6,5˚С·км-1; модель Callahan (CA) (1.54); глобальна модель Ifadis (IF); чотири моделі Berman (Berman 74 (BE74), Berman TMOD (BETMOD), Berman D/N (BENigh) і (BEDay), Berman 70 (BE70)); модель Куштіна (КU); модель Kurzynska (KZ).
У результаті отримані значення вологої (негідростатичної) складової зенітної тропосферної затримки для 14 аналітичних моделей для дат, для яких є матеріали аерологічних зондувань.
Для аналізу затримок, отриманих за різними моделями, обчислені різниці  між затримками, визначеними за результатами аерологічного зондування та затримками, визначеними за аналітичними моделями.
Аналізуючи результати обчислень, можна зробити такі висновки:
- всі моделі, які досліджуються, не визначають вологу складову з задовільною точністю;
- найбільша кількість значень різниць
 для трьох станцій знаходяться в діапазоні 10-50 мм, що свідчить про те, що визначати вологу складову зенітної тропосферної затримки з допомогою досліджуваних моделей з міліметровою точністю неможливо;
Середні квадратичні похибки визначення тропосферної затримки за аналітичними моделями для річного періоду  для станцій: Львів, Ужгород і Чернівці наведені в табл.2.
Таблиця 2
Середні квадратичні похибки  визначення негідростатичної складової
зенітної тропосферної затримки за аналітичними моделями, мм
З отриманих середніх квадратичних похибок бачимо, що всі вище зазначені моделі для визначення вологої (негідростатичної) складової тропосферної затримки дають незадовільні результати. Значення середніх квадратичних похибок є суттєвими для трьох станцій і коливаються від 20 до 42 мм. Найменші їх значення для станції Ужгород, а найбільші – для станції Чернівці.
В третьому розділі проведено дослідження вертикальних профілів складових індексу показника заломлення повітря.
З проведеного аналізу ряду формул для визначення вертикального профілю парціального тиску встановлено, що найкращі результати з наведених формул отримано для формул, запропонованих Ганном і Куштіним. Але і вони не дають можливості достатньо точно обчислювати вологу складову тропосферної затримки в західному регіоні України.
Біекспоненційну модель зміни індексу показника заломлення з висотою застосовувати в західному регіоні України для обчислення затримок не можна, тому що її точність незадовільна. Значення масштабів висот ( =9,4 км і  =2,6 км), які рекомендовано використовувати в цій моделі, є різними для різних пір року і шарів атмосфери. Незадовільні результати визначення зміни індексу показника заломлення з висотою дає модель Hopfield.
Для встановлення вертикального профілю індексу показника заломлення сухого повітря однією з найбільш придатних, за нашою оцінкою, є формула Davis.
(2)
де  - емпіричний коефіцієнт для УКХ;  = 287,05287 Дж⋅кг-1⋅К-1 – питома газова стала сухого повітря (ГОСТ4401-81);  – загальна густина повітря.
Аналіз різних залежностей зміни з висотою індексу показника заломлення водяної пари показав, що цю залежність найкраще апроксимувати функцією виду
 , (3)
де  і  – коефіцієнти;  – індекс показника заломлення водяної пари на рівні пункту спостережень;  – висота пункту над поверхнею Землі в кілометрах.
Коефіцієнти  і  визначались способом найменших квадратів для кожного аерологічного зондування до нижньої межі тропопаузи. Значення коефіцієнтів, визначені для кожного аерологічного зондування, усереднювались для місяців і пір року. В дослідженні використано дані аерологічних зондувань на станції Львів (215 зондувань), які проведені у 2002-2003 рр. В табл.3 наведені значення коефіцієнтів для місяців, а в табл.4 – для пір року. В цих таблицях наведені також середні квадратичні похибки визначення індексу показника заломлення водяної пари  , визначеного з використанням формули (3).
Дані табл.4 показують, що формула (3) забезпечує обчислення індексу показника заломлення водяної пари з середньою квадратичною похибкою не більшою 2,1 одиниць.
Таблиця 3
Коефіцієнти  і  для місяців та середні квадратичні похибки
визначення індексу показника заломлення водяної пари 
Таблиця 4
Коефіцієнти  і  для пір року та середні
квадратичні похибки визначення індексу показника
заломлення водяної пари 
У четвертому розділі запропонована методика визначення тропосферної затримки при GPS вимірах.
З метою врахування особливостей будови нижньої атмосфери Західної України на формування величини вологої складової тропосферної затримки було використано результати аерологічних зондувань на станціях Львів і Ужгород з визначенням відносної вологості до верхньої межі аерологічного зондування  . Результати цих даних засвідчили, що парціальний тиск водяної пари у стратосфері є незначним. На нижній межі тропопаузи парціальний тиск водяної пари  коливається від 0 до 0,4 мбар, а на інших висотах (до 25-29 км) він не перевищує 0,03 мбар. Індекс показника заломлення водяної пари  у стратосфері не перевищує 0,11 од. Виходячи з цього, зроблено висновок, що враховувати вологу складову для Західної України можна лише до нижньої межі тропопаузи.
На основі 156 аерологічних зондувань атмосфери, проведених протягом двох років, нами були встановлені висоти нижньої межі тропопаузи, які усереднені за місяцями та для пір року. Перші з них наведені в табл.5, а другі – в табл.6. Ці значення враховувались нами для визначення вологої складової тропосферної затримки.
Аналізуючи значення сухої складової тропосферної затримки в окремих шарах нижньої атмосфери, встановлено, що для досягнення точності визначення сухої складової затримки не меншої ніж 1 мм можна рекомендувати враховувати суху складову тропосферної затримки до висоти 80 км.
Наведемо результати досліджень, метою яких було отримання методики визначення сухої складової затримки в західному регіоні України, яка давала б суттєве підвищення точності визначення віддалей до супутників, а значить, і координат пунктів.
Для визначення сухої складової зенітної тропосферної затримки  використаємо модель Saastamoinen:
(4)
де – атмосферний тиск повітря на рівні пункту спостережень.
Формула (4) отримана, виходячи з того, що повітря знаходиться в стані рівноваги відносно земної поверхні. Однак в реальній атмосфері за різних погодних умов спостерігаються горизонтальні та вертикальні рухи і прискорення повітряних мас, які викликають відхилення від гідростатичної рівноваги і флуктуації тиску. Зміна метеорологічних величин відбивається на варіаціях прискорення сили тяжіння. Під час виконання високоточних робіт супутниковими методами цими впливами нехтувати не можна.
Для вирішення поставленої задачі нами були обчислені сухі складові зенітної затримки двома методами:
- за результатами аерологічних зондувань на станціях Львів, Ужгород та Чернівці;
- за формулою (4), підставляючи в неї виміряні метеорологічні параметри в час проведення зондування на перелічених станціях.
Таким чином, нами одержано для часу проведення зондування два значення затримок. Слід зазначити, що в більшості випадків для трьох станцій, сухі складові затримок, обчислені за формулою (4), є більшими від їх значень, отриманих за результатами зондування. Формула (4) дає завищені значення затримки. Нами були обчислені відношення  затримок, визначених за даними аерологічного зондування та затримок , обчислених за формулою (4), для кожного зондування:
 . (5)
Потім для кожної станції були обчислені середньомісячні та річні значення коефіцієнтів  для кожної станції та усереднені середньомісячні значення коефіцієнтів для трьох станцій. Їх значення зведені в табл.7.
Таблиця 7
Середньомісячні та середньорічні значення коефіцієнтів 
Для всіх станцій характерною є річна динаміка значень коефіцієнта  . Максимальні їх значення припадають на зимові місяці, а мінімальні – на літні.
Для визначення сухої складової зенітної тропосферної затримки у західному регіоні України нами запропоновано суху складову затримки, визначену за формулою (4), множити на коефіцієнт  , тобто обчислювати затримку за формулою
 . (6)
Запропоновано три варіанти моделей для визначення сухої складової зенітної тропосферної затримки:
- з середньомісячними значеннями коефіцієнтів
 для кожної станції (модель D1);
- із середньорічним значенням коефіцієнта
 для кожної станції (модель D2);
- із усередненими середньомісячними значеннями коефіцієнтів
 для станцій Львів, Ужгород і Чернівці (модель D3).
Для аналізу затримок, отриманих за запропонованими методиками, були обчислені різниці  між затримками, визначеними за результатами аерологічного зондування  і затримками за  -ою запропонованою моделлю для станцій Львів, Чернівці та Ужгород. Для аналізу кожної з моделей розглядався розподіл значень різниць  в інтервалах 10–5, 5–1, 1–0 мм. Відсоток різниць, які потрапляли в ці інтервали, наведені в табл.8.
Таблиця 8
Розподіл різниць  для станцій Львів, Ужгород і Чернівці, %
| 
