Тема: Мониторинг пространственной структуры атмосферных неоднородностей с помощью наземной сети приемников ГНСС

В настоящее время радиометрические методы измерений глубоко проникли во многие сферы обыденной жизни. Электромагнитные волны, как носитель информации, используются повсеместно: в медицине, агропромышленной сфере, телекоммуникациях, радиолокации и в многих других областях. Сюда же мы можем отнести и, уже ставшую привычной для нас, навигацию с использованием спутниковых радионавигационных систем (СРНС).
Хотя первые СРНС, предоставляющие сервис координатно-временного обеспечения, появились еще в конце 60-х годов 20-го века [1], актуальность проблемы точности радиоизмерений не утрачивает своей важности. С ростом популярности навигационных спутниковых систем, растут и требования к точностям, что стимулирует научные исследования в областях распространения электромагнитных волн в атмосфере Земли.
Современные СРНС, такие как ГЛОНАСС (Российская Федерация) [2], NAVSTAR GPS (США), GALILEO (Европейский союз) и другие [3], в качестве носителя навигационной информации, используют радиоволны дециметрового диапазона. Такие электромагнитные волны в значительной мере подвержены воздействию атмосферы Земли, через которую они проходят в процессе доставки информации к потребителю. Среди этих воздействий присутствуют такие источники ошибок как ионосферные ошибки, ошибки, обусловленные точностями генераторов колебаний, установленных на спутнике и приемнике, реляционными эффектами, тропосферными ошибками и др.
На настоящий момент проведено множество исследований в области физики атмосферы, космической навигации и геодезии, разработано множество методов оценок и исключений воздействия указанных источников ошибок на радиосигналы [4, 5, 6, 7]. К примеру, ионосферную ошибку с высокой точностью исключают за счет использования двух и более частот несущей волны. Тропосферную ошибку высчитывают по эмпирическим моделям тропосферы с использование метеопараметров с метеостанций или, при использовании дифференциальных методов, передают от базовой станции, находящейся неподалеку.
Однако, подобные решения накладывают свои ограничения. К примеру, передачу поправок за тропосферу от базовой станции к мобильному приемнику (роверу) рекомендуют ограничивать длиной базовой линии (линии, соединяющей два приемника) в 30 километров, из-за различия расстояния, проходимого сигналом, обусловленного кривизной земной поверхности и возможными неоднородностями тропосферы. Но, согласно ряду исследований [4, 8, 9] из-за пространственно-временных неоднородностей атмосферных параметров, используя существующие модели атмосферы не всегда можно гарантировать заявленную точность измерений.
Многие современные виды работ, использующие высокоточные навигационные решения, например, в сфере высокоточной геодезии, геодинамики или наблюдений за деформациями, предъявляют особо высокие требования к точности спутниковых наблюдений. В связи с этим сформулируем цель данной работы:
Оценить мезомасштабные пространственные неоднородности тропосферы Земли на территории Республики Татарстан и их вклад в измерения фазового пути сигнала спутниковых радионавигационных систем.
Далее четко сформулируем задачи, которые необходимо выполнить для достижения поставленной цели:
1. Сбор, систематизация и анализ спутниковых наблюдений длительностью не менее 3-х лет;
2. Получение и подготовка данных метеостанций, распределенных по исследуемой территории;
3. Оценка тропосферных задержек и их составляющих на спутниковых станциях непосредственно по спутниковых наблюдениям;
4. Получение значений интегрального влагосодержания во всех точках спутниковых наблюдений;
5. Расчет горизонтальных градиентов интегрального влагосодержания, для оценки пространственно-временных неоднородностей тропосферы Земли на за исследуемый период;
6. Анализ и интерпретация полученных результатов.
Данная выпускная квалификационная работа состоит из пяти глав. В первой и второй главах были описаны теоретические основы данной работы. В этих главах дана информация о принципах функционирования глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), существующих и используемых в работе моделях тропосферных задержек, приведены и описаны формулы, необходимые для расчетов и др. Последующие главы описывают практическую реализацию поставленных задач и несут в себе основную информацию по теме выпускной квалификационной работы.

Купить

Целью данной выпускной квалификационной работы была оценка мезомасштабных пространственных неоднородностей тропосферы Земли на территории Республики Татарстан и их вклад в измерения фазового пути сигнала спутниковых радионавигационных систем.
Для достижения озвученной цели, были собраны, проанализированы и отсортированы данные спутниковых наблюдений за 2012 - 2016 годы, со станций наземной спутниковой сети TATPOS, расположенной на территории Республики Татарстан. Также, для расчетов тропосферных параметров, с помощью [20] были получены такие метеопараметры как атмосферное давление, температура, влажность и скорость ветра на весь исследуемый период.
Также, в соответствии с поставленными задачами были получены значения зенитной тропосферной задержки. Результатом расчетов ZTD стали массивы данных для всех станций исследуемой сети на период с 2013 по 2016 годы для станций и с 2012 по 2016 года для станции Казанского Федерального Университета KZN2.
Основным параметром, представляющим интерес в данной работе стало распределения водяного пара в атмосфере - интегральное влагосодержание (IWV) и его горизонтальные градиенты. Максимальное значение градиента зафиксировано в мае 2014 года и составляет 4.1 мм осажденной воды на 30 км. Зимой максимальные значения могут достигать 2 мм осажденной воды.
Оценка влияния, полученных градиентов интегрального влагосодержания на фазовые спутниковые измерения проводилась для условий, ограниченных длиной базовой линии в 30 километров и высотой спутника над горизонтом 15 и 45 градусов. Результаты показали, что градиент интегрального влагосодержания в 4.1 мм осажденной воды на 30 км вызывает флуктуации фазового пути спутникового сигнала величиной 124.9 мм и 45.9 мм для высоты спутника над горизонтом в 15 и 45 градусов соответственно. Что, к примеру, соответствует ошибке измерения высотных координат в 48.2 мм и 17,7 мм соответственно. Данные цифры приведены для максимальных пространственных градиентов в летний период. Зимой флуктуации фазы и т могут достигать 69.2 мм и 25.5 мм для высотных углов в 15 и 45 градусов соответственно, а ошибки высотных измерений 26.7 мм и 9.84 для соответствующих углов.
Зависимости среднеквадратического отклонения (СКО) интегрального влагосодержания от метеоданных, таких как давление, температура, относительная влажность и скорость ветра показал существенную зависимость исследуемого параметра от температурных значений. Так, в период с температурой выше нулевого значения, значения отклонений интегрального влагосодержания значительно выше, чем в период с отрицательной температурой. Помимо этого, замечены явные корреляции СКО IWV с максимальными значениями скорости ветра. Также, при резких изменениях какого-либо из этих параметров, часто наблюдается повышение флуктуаций содержания водяного пара в атмосфере.
Результаты данной выпускной квалификационной работы представляют интерес для широкого круга задач, в первую очередь, опирающихся на данные спутниковых навигационных систем, такие как геодинамический мониторинг, наблюдения за осадками и деформациями зданий и других, особо требовательных к точностям радиоизмерений, проводимых на основе дециметровых длин волн.

Купить