Міністерство освіти і науки України

Національний університет "Львівська політехніка"

Паляниця Богдан Борисович

УДК.528.28:629.783

521.371:528.14+528.022

МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ АТМОСФЕРНОЇ ПОПРАВКИ

У СУПУТНИКОВІ ВИМІРИ В ОПТИЧНОМУ ТА РАДІОДІАПАЗОНАХ

Спеціальність 05.24.01 – геодезія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - | доктор технічних наук, професор

Заблоцький Федір Дмитрович,

завідувач кафедри вищої геодезії та астрономії

Національного університету “Львівська політехніка” |

Офіційні опоненти - | доктор технічних наук, професор

Костецька Яромира Михайлівна,

завідувач кафедри інженерної геодезії

Національного університету “Львівська політехніка”; | кандидат технічних наук,

Каблак Наталія Іванівна,

доцент кафедри оптики

Ужгородського національного університету | Провідна установа - | Український державний університет водного господарства та природокористування Міністерства освіти і науки України |

Захист відбудеться “ 2 ” липня 2004 р. о “ 14 ” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.13 Національного університету “Львівська політехніка” за адресою:

79013, м.Львів-13, вул. С. Бандери, 12, ауд. 518 ІІ навч. корпусу.

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м.Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий “ 1 ” червня 2004 р.

В.о. вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради Д 35.052.13

доктор технічних наук, професор Шевченко Т.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ефективне застосування сучасних геодезичних технологій вимагає вирішення проблеми точного визначення і врахування впливу атмосфери на результати астрономо-геодезичних вимірів, проведених супутниковими лазерними віддалемірами та супутниковою радіонавігаційною системою (GPS). Останні мають значну перевагу над багатьма традиційними методами визначення координат пунктів і тому широко застосовуються для розв’язання найрізноманітніших задач геодезії, геофізики і геодинаміки, де точність визначення координат досягає кількох міліметрів.

Інтенсивний розвиток електронної техніки дав змогу створити високоточні прилади для проведення супутникових вимірів, що зумовило підвищення вимог до точності визначення та врахування різних похибок, які погіршують результати цих вимірів. Серед них найвагомішою є похибка за вплив атмосфери.

Проблемі врахування впливу атмосфери у результати супутникових вимірів присвячено багато робіт, авторами яких є відомі зарубіжні вчені Дж.Фріман, Г.Тайер, Х.Хопфілд, Ю.Саастамойнен, Дж.Мюррей, Дж. Маріні, Г. Бейбі, П.Берман, Дж.Девіс, І.Іфадіс, П.Бендер, Р.Ланглей, А.Ніл, І.Куштін, Л.Юношев, М.Нелюбін і вітчизняні - І.Колчинський, А.Островський, Б.Джуман, М.Миронов, О.Прокопов, Ф.Заблоцький, Я.Костецька, П.Черняга, І.Тревого, І.Мотруніч, Н.Каблак та ін.

У зв’язку зі складністю моделювання вертикальних профілів основних метеорологічних параметрів розроблено цілий ряд аналітичних моделей для визначення атмосферної поправки ?S. Проте, використання в цих моделях лише приземних метеорологічних вимірів не забезпечує необхідної точності у визначенні цієї поправки.

Вирішити цю проблему можна поєднанням приземних вимірів метеорологічних величин із даними аерологічного зондування атмосфери, а також зі встановленими статистичними характеристиками вертикальних профілів основних метеорологічних параметрів. Крім цього, важливим є створення регіональних моделей атмосфери, оскільки прийняті відомі моделі на сьогоднішній день не забезпечують необхідної точності врахування впливу атмосфери на результати GPS-вимірів. Проте навіть складні моделі не можуть відобразити реальну мінливість атмосфери, що змінює величину поправки ?S, що особливо важливо при визначенні її з точністю кількох міліметрів. Тому дослідження впливу атмосфери на точність супутникових віддалемірних вимірів залишаються своєчасними та актуальними.

Зв?язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконано згідно тематики науково-дослідних робіт Інституту геодезії Національного університету "Львівська політехніка" та кафедри вищої геодезії та астрономії, зокрема – “Підвищення точності астрономо-геодезичних вимірів шляхом врахування атмосферної рефракції” (номер державної реєстрації 0193U040366, 1992-1995р.р.), “Комплексні дослідження деформації Земної кори Карпатського регіону” (номер державної реєстрації 0195U014391, 1994р.)

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень є оцінка, модифікація та розробка методів обчислення атмосферної поправки у супутникові віддалемірні виміри в оптичному та радіодіапазонах з використанням комп’ютерного моделювання.

Вибір мети досліджень зумовлений необхідністю вирішення таких основних задач:

-

-

-

-

-

-

Об?єкт досліджень: вплив атмосфери на супутникові виміри в оптичному та радіодіапазонах.

Предмет досліджень: врахування впливу атмосфери на супутникові виміри.

Наукова новизна одержаних результатів. Встановлено особливості характеру сезонної зміни атмосферної поправки і показано, що для радіодіапазону вона має чітко виражений річний хід порівняно із величиною поправки для оптичного діапазону.

Проведено оцінку густоти представлення шарів атмосфери метеорологічними параметрами при обчисленні поправки інтегруванням і встановлено, що система аерологічного зондування АВК-1 забезпечує визначення атмосферної поправки в зеніті з точністю 1мм.

Виконано апроксимацію річної зміни атмосферної поправки для оптичного та радіодіапазонів за даними метеорологічних станцій Львів і Одеса та запропоновано метод визначення атмосферної поправки для радіодіапазону.

Зроблено оцінку точності сухої та вологої складових атмосферної поправки для радіодіапазону, визначеної за аналітичними моделями та модифіковано формулу Саастамойнена для обчислення сухої складової атмосферної поправки.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновано метод визначення атмосферної поправки і розроблено алгоритм його реалізації. Отримані результати можуть бути використані для створення регіональних моделей атмосфери, алгоритм розрахунку атмосферних поправок впроваджено в технологічний процес опрацювання GPS-вимірів у Науково-дослідному інституті геодезії та картографії.

Розроблена модифікована формула Саастамойнена для визначення сухої складової зенітної атмосферної поправки впроваджена у геодезичне виробництво при опрацюванні результатів супутникових вимірів.

Основні положення, що виносяться на захист:

1. Встановлені залежності величини атмосферної поправки від стану вертикальних профілів метеорологічних параметрів.

2. Оцінка основних відомих методів врахування впливу атмосфери на супутникові виміри в оптичному та радіодіапазонах.

3. Встановлений річний хід зміни атмосферної поправки у супутникові виміри в радіодіапазоні.

4. Запропонований метод визначення атмосферної поправки в радіодіапазоні.

5. Результати оцінки складових атмосферної поправки, визначеної для радіодіапазону за аналітичними моделями.

6. Модифікована формула Саастамойнена для обчислення сухої складової атмосферної поправки у Південно-Західному регіоні України для літнього та зимового періодів.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи, що становлять її суть, отримані автором самостійно, що підтверджується більшістю одноосібних публікацій, наведених у списку.

У спільних публікаціях здобувач приймав участь у постановці задач, розробці методів їхнього розв?язку, аналізі отриманих результатів, підготовці результатів до публікації, а також самостійно проводив розрахунки.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися і обговорювалися на Третій міжнародній Орловській конференції “Изучение Земли как планеты методами астрономии, геофизики и геодезии” (Одеса, 1992), на Міжнародних симпозіумах “Геодинаміка гірськіх систем Європи” (Львів - Яремче, 1994), “Geodynamic investigations in the mountain region” (Вроцлав (Польща), 1994), “1-st Intern. Sympos. of Laser Technique in Geodesy and Mine Surveying” (Любляна (Словенія), 1995), на науково-технічній конференції “Сучасні досягнення геодезичної науки і виробництва в Україні” (Львів, 1997), на науково-технічній конференції “Сучасні досягнення геодезії, геодинаміки та геодезичного виробництва” (Львів, 1999), на 4-му і 5-му науково-технічному симпозіумі “Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища - GPS і GIS-технології” (Алушта, 1999, 2000), на науково-технічній конференції “Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва (погляд у ХХІ століття)” (Львів, 2000), на науково-технічніх конференціях “Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва” (Львів, 2001, 2002, 2003).

Публікації. Основні матеріали дисертації висвітлено в 15 наукових публікаціях. Серед них: 7 статей в наукових фахових виданнях, 6 статей у збірниках матеріалів конференцій, 2 статті у збірниках тез конференцій.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, що містить 137 найменувань, а також додатків. Загальний обсяг дисертації становить 145 сторінок, у тому числі 25 рисунків, 49 таблиць. Додатки містять акти впроваджень результатів досліджень за темою дисертації.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі висвітлено сучасний стан справ з даної проблеми, обгрунтовано актуальність теми дисертації, визначено мету і сформульовано задачі, що розв’язуються в дисертаційній роботі, вказано наукову новизну, практичне значення одержаних результатів, їх апробацію, подано дані про публікації, структуру та обсяг роботи, впровадження результатів досліджень, зазначено особистий внесок здобувача стосовно основних положень, представлених у роботі.

Перший розділ містить огляд основних методів визначення атмосферної поправки в результати супутникових вимірів в оптичному та радіодіапазонах, а також функцій відображення, які використовуються при обчисленні цієї поправки на зенітних відстанях Z>0.

Слід зазначити, що на сьогоднішній день створено багато аналітичних моделей для обчислення атмосферної поправки в оптичному та радіодіапазонах. Проте вони не враховують кліматичних особливостей різних регіонів. Аналіз аналітичних моделей свідчить про те, що при опрацюванні результатів GPS-спостережень необхідно підбирати або створювати таку модель, яка б краще відповідала певним умовам (регіональним кліматичним особливостям, сезону року, періоду доби та ін.). Пошук шляхів врахування цих умов зумовлений постійним зростанням вимог до точності отримання атмосферної поправки. Тому перспективним є створення аналітичних моделей із врахуванням регіональних особливостей.

У другому розділі представлено методику визначення атмосферної поправки числовим інтегруванням за даними аерологічного зондування атмосфери.

Показано, що при обчисленні атмосферної поправки для радіодіапазону слід використовувати ті ж формули, що й для оптичного діапазону

S=S1 - S2, (1)

де - поправка за нерівномірність розповсюдження електромагнітних хвиль в атмосфері; - поправка за кривину траєкторії електромагнітного променя, що залежить від кута астрономічної рефракції на відповідній зенітній відстані Z.

Відмінність застосування формули полягає в тому, що показника заломлення n і його індекс N розраховується для радіодіапазону за формулою Есена-Фрума, а для оптичного – за формулою Оуенса.

Для спрощення процедури інтегрування за вищевказаними формулами використовують різні математичні моделі атмосфери, що характеризують розподіл метеорологічних величин в атмосфері Землі з висотою. Серед таких моделей є однорідна модель атмосфери, політропна, ряд стандартних моделей, різні типи регіональних моделей та реальні моделі атмосфери. Подано опис стандартної моделі атмосфери згідно ГОСТ 4401-81 (надалі СМА) та порядок побудови реальної моделі на основі даних аерологічного та ракетного зондувань атмосфери.

Проведено дослідження оптимального розподілу вузлів інтегрування. Встановлено, що густота представлення метеорологічної інформації при аерологічних зондуваннях атмосфери комплексом АВК-1 порівняно з системою МАРЗ (табл.1) підвищує точність обчислення атмосферної поправки в 3 рази за рахунок більшої густоти представлення метеорологічних даних у шарі атмосфери від 6 до 14км із кроком 0,5км.

Таблиця 1

Густота збору метеорологічної інформації

Система “Метеорит”-МАРЗ | АВК-1 (“Титан”) | Висота, км | Крок зондування, км | Висота, км | Крок зондування, км | Від поверхні Землі до 1,5 | 0,2-0,3 | Від поверхні Землі до 6,0 | 0,2 | 1,5-6,0 | 0,4-0,5 | 6,0-14,0 | 0,5 | 6,0 – верхня межа зондув. | 1,0 | 14,0 – верхня межа зондув. | 1,0 |

У таблиці 2 показано різниці S між значенннями поправок, обчислених за повною моделлю СМА і за моделлю 1 (крок зондування моделі СМА відповідає кроку зондування системи МАРЗ, без врахування шарів, де дані отримані інтерполюванням), а також відповідні різниці, отримані за моделлю 2 (крок зондування як в АВК-1).

Таблиця 2

Різниці S значень поправок S0

Z | S (1), мм | S (2), мм | 0 | 1,4 | 0,4 | 60 | 2,7 | 0,7 | 80 | 8,1 | 2,1 | 85 | 17,8 | 4,2 | Представлені у табл. 2 дані свідчать, що зондування, виконані комплексом АВК-1, дають кращі результати при обчисленні атмосферної поправки, ніж системою МАРЗ.

Таким чином, для підвищення точності отримання атмосферної поправки необхідно враховувати похибки, пов'язані із недостатньою густотою представлення метеорологічних величин з висотою.

Встановлено, що при висоті інтегрування 100км з оптимальним кроком представлення атмосфери можна досягнути точності обчислення атмосферної поправки – 0,1мм.

Третій розділ містить результати досліджень інтегральних методів визначення атмосферної поправки.

Проведено оцінку впливу зміни основних метеорологічних параметрів на величину атмосферної поправки. Показано, що збільшення атмосферного тиску викликає майже однакове зростання поправок як в оптичному, так і в радіодіапазоні; зростання температури веде до зменшення поправки ?SО в оптичному діапазоні і до збільшення поправки ?SР у радіодіапазоні, оскільки із зростанням температури збільшується парціальний тиск, що спричиняє збільшення атмосферної поправки як в оптичному, так і в радіодіапазоні, проте в другому – майже в 100 разів більше.

Аналогічні оцінки виконано для атмосферних поправок, обчислених за аналітичними моделями Маріні-Мюррея – для оптичного діапазону та Саастамойнена – для радіодіапазону. Показано, що атмосферний тиск однаково впливає на величини цих поправок в обох діапазонах; зміна температури повітря відчутніше впливає на атмосферну поправку в радіодіапазоні; а вплив зміни вологості в 75 разів є меншим в оптичному діапазоні.

Розрахунок відсоткового внеску шарів атмосфери у величину атмосферної поправки ?S для різних моделей атмосфери як за географічним розташуванням метеорологічних станцій, так і за вертикальним розподілом метеорологічних величин показує, що цей внесок є досить стабільним. Зокрема, шар атмосфери від поверхні землі до висоти 5км для метеорологічних станцій Львів, Одеса і Мірний (Антарктичне узбережжя) формує майже 50% атмосферної поправки від її повної величини; в шарі атмосфери від 5 до 10км ця величина становить 30%, а від 10 до 15км – приблизно 15%. Решту, майже 5% формується шарами нижньої та середньої стратосфери.

Стосовно дослідження залежності величини атмосферної поправки від вертикального розподілу метеорологічних параметрів (табл. 3) встановлено, що зміна стратифікації в нижніх шарах атмосфери суттєво впливає на результати супутникових вимірів, а саме на величини атмосферних поправок ДSО і ?SР, особливо на великих зенітних віддалях.

Таблиця 3

Порівняння зміни атмосферних поправок при зміні вертикального

розподілу температури в приземному шарі атмосфери

Z,0 | дSО=ДSОінв- ДSОн.р., мм | дSР=ДSРінв –ДSРн.р., мм

1км | 1,5км | 1км | 1,5км | 0 | -3,28 | -4,69 | 0,60 | 0,52 | 30 | -3,79 | -5,41 | 0,69 | 0,61 | 45 | -4,64 | -6,62 | 0,84 | 0,74 | 60 | -6,55 | -9,35 | 1,20 | 1,05 | 75 | -12,61 | -13,0 | 2,31 | 2,02 | 85 | -36,04 | -51,37 | 6,58 | 5,77 |

Зазначимо, що ДSОінв, ДSРінв – атмосферні поправки, обчислені для оптичного та радіодіапазонів, відповідно, з інверсним розподілом температури у нижньому 300-метровому шарі атмосфери; ?SОн.р., ДSРн.р – відповідні атмосферні поправки з нормальним розподілом температури.

Результати, подані у табл. 3, показують, що інверія температури зумовлює зменшення атмосферної поправки в оптичному діапазоні, а в радіодіапазоні - навпаки. Це узгоджується з вищевказаним, що при зростанні температури поправка збільшується за рахунок збільшення парціального тиску, зумовленого цим зростанням температури. Для радіодіапазону збільшення парціального тиску на два порядки відчутніше впливає на величину поправки, ніж в оптичному діапазоні.

У четвертому розділі досліджено вплив сезонних змін метеорологічних параметрів на величину атмосферної поправки. Розроблено метод визначення атмосферної поправки для радіодіапазону.

Показано характер річної зміни метеорологічних величин із зазначенням амплітуди сезонних змін цих параметрів. Досліджено сезонну зміну атмосферної поправки для оптичного та радіодіапазонів. Встановлено, що поправка для радіодіапазону має чіткіше виражений характер сезонної зміни.

Для наближених розрахунків атмосферної поправки в оптичному діапазоні використано формулу Бендера і Керкпатріка:

, (2)

де K – емпіричний коефіцієнт, який за даними різних авторів і для різних фізико-кліматичних умов становить від 2,360010-3 до 2,370010-3.

За нашими дослідженнями річного ходу поправки ?ЅО для станції Львів встановлено коефіцієнт К рівний 2,3572 10-3. За уточненою формулою (2) поправку ?ЅО доцільно визначати лише в колозенітній області. На інших зенітних відстанях, особливо при Z>600, функція secZ недостатньо відображає зміну величини ?ЅО, тому для покращення результату необхідно вибрати іншу функцію відображення.

Проведено апроксимацію річної зміни атмосферної поправки в оптичному та радіодіапазонах за метеорологічними даними двох років для станції Львів поліномами 3-го та 4-го степеня, відповідно.

На сьогоднішній день з метою підвищення точності визначення атмосферної поправки ?S її повне значення розглядають як добуток значення поправки в зеніті ?Sz на функцію відображення m(Z):

. (3)

При використанні біекспоненційної моделі показника заломлення тропосферну затримку розділяють на суху ?Sс та вологу ?Sв складові:

. (4)

Це дає змогу комбінувати різні моделі для визначення тропосферної затримки, тобто використовувати зенітну тропосферну затримку з моделі одного автора, а функцію відображення – іншого. Таким чином, проблему підвищення точності поправки за вплив атмосфери на GPS-виміри, розрахованої за аналітичними формулами, можна вирішувати як уточненням зенітного значення складових поправки, так і підбором найбільш відповідних функцій відображення.

Досліджено річні зміни функцій відображення Девіса, Хопфілд, Іфадіса, Герінга та Ніла для сухої та вологої складової атмосферної поправки і встановлено, що: 1) функція відображення Девіса для сухої складової менш чутлива до зміни метеорологічних величин; 2) формули Іфадіса і Герінга дають близькі між собою значення функцій відображення як для сухої, так і для вологої складових; 3) у формулі Герінга емпіричні коефіцієнти залежать лише від приземного значення температури, тому крива, що відповідає цій функції відображення, має більше виражений сезонний характер зміни, як і зміна самого значення температури повітря; 4) функція відображення Ніла для сухої складової не залежить від метеорологічних величин, а лише від дня року, а для вологої складової - ні від метеорологічних величин, ні від дня року, проте вона досить добре проєктує зенітні значення цих складових.

За метеорологічними даними, отриманими на станції Одеса протягом року (всього 82 зондування), обчислено атмосферну поправку ?SР за інтегральною формулою (1). За отриманими значеннями ?SР побудовано графік річної зміни цієї поправки (рис. 1).

Рис. 1. Річна зміна атмосферної поправки ?SР

Надалі криву зміни поправки було апроксимовано поліномом 4-го степеня виду: , де x – порядковий номер дня від початку року. Коефіцієнти полінома, визначені за способом найменших квадратів, мають такі значення: А= 1,79776·10-10, В= -1,48815·10-7, С=3,76976·10-5, D= -2,79092·10-3, E= 2,41325.

Відхилення між кривими реального та апроксимованого розподілу поправки знаходяться в проміжку [–102,1; 68,6] міліметрів, а сума цих відхилень (82 точки) складає всього +0,4мм.

Використання рядів Фур’є дало можливість отримати формулу

(5)

з коефіцієнтами, виведеними для станції Львів: ?S0 = 2,30, А=0,06, k=2?, В=28.

На основі проведених досліджень нами запропоновано метод визначення атмосферної поправки ?SР з врахуванням регіональних особливостей сезонної зміни метеорологічних величин. Програму для реалізації даного методу складено за таким алгоритмом: 1) обчислення атмосферної поправки ?SР за наявними метеорологічними даними, отриманими для даного пункту протягом річного періоду; 2) визначення характеру річної зміни поправки за отриманими значеннями ?SР апроксимуванням поліномом 4-го степеня, або рядами Фур?є; 3) обчислення коефіцієнтів; 4) визначення величини поправки на потрібну дату чи період спостережень при відсутності метеорологічних даних.

Таким чином, на пунктах, де проводяться довготривалі спостереження і немає можливості постійного отримання достовірної метеорологічної інформації, для обчислення атмосферної поправки в радіодіапазоні можна використовувати запропонований метод.

У п’ятому розділі представлені модифіковані автором аналітичні моделі визначення атмосферної поправки та їхня оцінка точності.

Встановлено, що в зимовий період значення сухої складової зенітної атмосферної поправки перевищують аналогічні дані для літа на 10 мм і більше.

Досліджено внесок шарів нижньої атмосфери у формування величини вологої складової зенітної атмосферної поправки. Так, шари атмосфери на ізобаричних поверхнях від 500 до 30мбар формують лише 5,5% вологої складової від її загальної величини на станції Одеса і 8,4% - на станції Львів.

На основі виконаних досліджень рекомендовано для точного врахування вологої складової в цих регіонах у літній період вимірювати вертикальний профіль вологості повітря прямим або посереднім зондуванням хоча б до ізобаричної поверхні 500мбар, чи моделювати такий профіль на основі статистичного аналізу. Вклад вищих шарів атмосфери доцільно задавати середніми даними. При запропонованому підході можна визначити вологу складову зенітної тропосферної затримки в шарі атмосфери “500мбар - верхня границя тропосфери” із середньою квадратичною похибкою меншою, ніж 4мм, а в шарі -“верхня границя тропосфери - 30мбар” з похибкою від 0,5 до1мм.

Виконано оцінку сухої та вологої складових атмосферної поправки, визначеної за різними аналітичними формулами для радіодіапазону протягом річного періоду. Показано, що середня квадратична похибка, обчислена за основними аналітичними моделями, становить для сухої складової: за формулою Саастамойнена – 7,7 мм, за формулою Хопфілд – 9,9 мм. Для літнього періоду ці похибки становлять відповідно 10,2 і 13,0 мм, а для зимового – 2,7 і 2,8 мм. Середня квадратична похибка для вологої складової складає: за формулою Саастамойнена – 19,7 мм, за формулою Хопфілд – 20,8 мм. Для літнього періоду ці похибки становлять відповідно 24,9 і 24,8 мм, а для зимового – 11,8 і 9,3 мм.

Величина вологої складової атмосферної поправки, обчисленої за різними аналітичними моделями, в літній період є максимальною. Вона при використанні формул Саастамойнена і Хопфілд є приблизно в 2,5 рази більшою, ніж у зимовий період. Даний висновок підтверджено графіком на рисунку 2.

Рис.2. Різниці сухих складових на ст. Одеса протягом річного періоду

На основі формули Саастамойнена розроблено модифіковану формулу для обчислення сухої складової зенітної атмосферної поправки для літнього періоду

, (6)

яка зменшує середню квадратичну похибку визначення сухої складової від 10,2мм (за формулою Саастамойнена) до 2,5 мм (за модифікованою формулою).

Для перевірки цієї формули було використано додатково 10 моделей атмосфери для літнього періоду (див. табл. 4).

Таблиця 4

Оцінка точності визначення сухої складової зенітної

атмосферної поправки за модифікованою моделлю Саастамойнена

Дата | P0 | t0 | (СА) | модифік. | (СА) модифік. | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 8.06

9.06

12.06

13.06

15.06

26.06

3.07

4.07

7.07

15.08 | 1011,5

1012,0

1015,5

1013,0

1010,0

1012,0

1014,0

1012,5

1006,5

1000,5 | 17,1

16,6

18,3

17,5

19,5

23,0

20,4

20,6

15,0

18,0 | 2295

2299

2305

2299

2293

2295

2302

2295

2284

2266 | 2303

2304

2312

2306

2299

2304

2309

2305

2292

2278 | -8

-5

-7

-7

-6

-9

-7

-10

-8

-12 | 2294

2295

2303

2298

2291

2295

2300

2296

2283

2269 | 1

4

2

1

2

0

2

-1

1

-3 | m | 8,1 | 2,1 | У таблиці 4 в колонках 6 і 8 подано різниці ?Szc(СА)=?Szc(зонд)-?Szc(СА), для яких величини ?Szc(СА) обчислені і за формулою Саастамойнена, і за модифікованою формулою, відповідно.

На основі результатів таблиці 4 можна стверджувати, що запропонована нами формула (6) є найбільш репрезентативною для літнього періоду у Південно-Західному регіоні України. Вона дає в 4 рази кращі результати, ніж класична формула Саастамойнена. Для зимового періоду нами виведено модифіковану формулу Саастамойнена з коефіцієнтом рівним 0,0022788, що забезпечило підвищення точності визначення сухої складової приблизно на 20% порівняно з класичною формулою.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науковою роботою, в якій вирішена актуальна задача підвищення точності визначення атмосферної поправки у супутникові виміри. Основні результати досліджень можна сформулювати так:

1. Оцінено вплив зміни метеорологічних параметрів на величину атмосферної поправки, розрахованої за інтегральними формулами і за основними аналітичними моделями, та досліджено залежність величини атмосферної поправки від стану вертикальних профілів метеорологічних параметрів. Встановлено, що зміна стратифікації в нижніх шарах атмосфери суттєво впливає на результати супутникових вимірів, а саме на величину атмосферних поправок в оптичному та радіодіапазонах, особливо на великих зенітних відстанях. Температурна інверсія призводить до зменшення величини поправки в оптичному діапазоні, а в радіодіапозоні – навпаки.

2. Досліджено сезонну зміни атмосферної поправки для оптичного та радіодіапазонів на основі оцінки річної зміни метеорологічних величин. Встановлено, що атмосферна поправка для радіодіапазону має чіткіше виражений характер сезонної зміни.

3. Проведено апроксимацію річної зміни атмосферної поправки для оптичного та радіодіапазонів за даними метеорологічних станцій Львів та Одеса поліномами 3-го та 4-го степенів, відповідно. Запропоновано метод визначення атмосферної поправки в радіодіапазоні, зокрема на перманентних GPS-станціях.

4. Досліджено вплив річних змін метеорологічних параметрів на величину функції відображення, обчисленої за формулами Девіса, Хопфілд, Іфадіса, Герінга та Ніла для сухої та вологої складових атмосферної поправки і встановлено відмінності між ними.

5. Виконано оцінку точності визначення сухої та вологої складових атмосферної поправки за аналітичними моделями для радіодіапазону. Показано, що середня квадратична похибка, обчислена за основними аналітичними моделями, становить для сухої складової: 7,7мм - за формулою Саастамойнена і 9,9мм - за формулою Хопфілд. Для літнього періоду ці похибки становлять, відповідно, 10,2 і 13,0мм, а для зимового – 2,7 і 2,8мм. Середня квадратична похибка для вологої складової становить: 19,7мм - за формулою Саастамойнена і 20,8мм - за формулою Хопфілд. Для літнього періоду ці похибки становлять, відповідно, 24,9 і 24,8мм, а для зимового – 11,8 і 9,3мм. Величини вологої складової атмосферної поправки в літній період є максимальними і приблизно в 2,5 рази більшими, ніж у зимовий період у випадку використання формул Саастамойнена і Хопфілд.

6. Розроблено модифіковану формулу Саастамойнена, яка забезпечує визначення сухої складової атмосферної поправки у Південно-Західному регіоні України для літнього періоду практично в 4 рази точніше, ніж класична формула Саастамойнена. Для зимового періоду виведено модифіковану формулу Саастамойнена, що забезпечує підвищення точності визначення сухої складової на 20% у порівнянні з класичною формулою.

СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

Анотація

Паляниця Б.Б. "Методи визначення атмосферної поправки у супутникові виміри в оптичному та радіодіапазонах”. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.24.01 - геодезія. - Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2004.

Робота присвячена розв’язанню задачі врахування впливу атмосфери на точність супутникових вимірів. Проведено оцінку існуючих методів обчислення атмосферної поправки у супутникові віддалемірні виміри в оптичному та радіодіапазонах з використанням комп’ютерного моделювання. Досліджено залежність величини атмосферної поправки від стану вертикальних профілів метеорологічних параметрів. Проведено апроксимацію річної зміни атмосферної поправки для оптичного та радіодіапазонів за даними метеорологічних станцій Львів та Одеса поліномами 3-го та 4-го степенів. Запропоновано метод визначення атмосферної поправки у супутникові виміри в радіодіапазоні. Розроблено модифіковані формули Саастамойнена для обчислення сухої складової атмосферної поправки у Південно-Західному регіоні України для літнього та зимового періодів, що забезпечують підвищення точності визначення цієї складової у порівнянні з класичною формулою.

Ключові слова: атмосферна поправка, моделі атмосфери, тропосферна затримка, супутникові віддалемірні виміри, GPS-спостереження.

Аннотация

Паляныця Б.Б. "Методы определения атмосферной поправки в спутниковые измерения в оптическом и радиодиапазонах”. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.24.01 - геодезия. - Национальный университет “Львивська политехника”, Львов, 2004.

Работа посвящена решению задачи учета влияния атмосферы на точность спутниковых измерений. Проведена оценка существующих методов вычисления атмосферной поправки в спутниковые дальномерные измерения в оптическом и радиодиапазонах с использованием компъютерного моделирования.

Исследована зависимость величины атмосферной поправки от состояния вертикальных профилей метеорологических параметров. Установлено, что смена стратификации в нижних слоях атмосферы существенно влияет на результаты спутниковых измерений, а именно на величину атмосферных поправок в обеих диапазонах, особенно на больших зенитных расстояниях. Температурная инверсия ведет к уменьшению величин поправок в оптическом диапазоне, а в радиодиапазоне – наоборот.

Оценка характера годового изменения метеорологических величин позволила установить, что атмосферная поправка в радиодиапазоне имеет более четко выраженный характер сезонного хода.

Проведена апроксимация годовой смены атмосферной поправки для оптического и радиодиапазонов на основании данных метеорологических станций Львов и Одесса полиномами 3-го и 4-го степеней, соответственно. Исходя из полученных результатов предложен метод вычисления атмосферной поправки в радиодиапазоне.

Исследовано влияние годовых изменений метеорологических параметров на величину функций отображения, вычисленных с использованием формул Девиса, Хопфилд, Ифадиса, Геринга и Нила для сухой и влажной составляющей атмосферной поправки, что дало возможность установить различия между ними.

Исследования сухой и влажной составляющей атмосферной поправки, определенной аналитическими методами для радиодиапазона на протяжении годового периода, показали, что средняя квадратическая ошибка, вычисленная за основными аналитическими моделями, равна для сухой составляющей: 7,7мм - по формуле Саастамойнена, 9,9 мм - по формуле Хопфилд. Для летнего периода эти ошибки составляют, соответственно, 10,2 и 13,0мм, а для зимнего – 2,7 и 2,8мм. Средняя квадратическая ошибка для влажной составляющей равна 19,7мм по формуле Саастамойнена и 20,8мм - по формуле Хопфилд. Величина влажной составляющей атмосферной поправки в летний период является максимальной и приблизительно в 2,5 раза большей, чем в зимний период в случае использования формул Саастамойнена и Хопфилд.

Разработана модифицированная формула Саастамойнена, которая позволяет вычислять сухую составляющую атмосферной поправки в Южно-Западном регионе Украины для летнего периода практически в 4 раза точнее, чем классическая формула Саастамойнена. Для зимнего периода выведена модифицированная формула Саастамойнена, которая обеспечивает повышение точности определения сухой составляющей приблизительно на 20% по сравнению с классической формулой.

Ключевые слова: атмосферная поправка, модели атмосферы, тропосферная задержка, спутниковые дальномерные измерения, GPS-наблюдения.

Abstract

Palianytsia B.B. Methods of determining atmospheric correction of satellite measurements in optical and radio ranges. Manuskript.

Thesis on completition of a scientific degree of the candidate of technical science by speciality 05.24.01 - geodesy.- National university “Lvivska Polytechnica”, Lviv, 2004.

The investigation is dedicated to the solution of the problem of taking into account the atmospheric influence on the accuracy of satellite measurements.

An estimation of the existing methods of calculation of atmospheric correction into the results of satellite measurements in optical and radio ranges was carried out using computer modelling.

Dependency of the atmospheric correction value on the state of vertical profiles of meteorological parameters has been analysed.

The optimisation of annual change of atmospheric correction was realised for optical and radio ranges after the meteorological data of Lviv station by the polynomials of the 3rd and 4th degrees for the predicting of atmospheric correction into the satellite measurements in the radio range.

A modified Saastamoinen’s formula was worked out for the determination of the dry component of atmospheric correction for the South-West region of Ukraine for the summer winter seasons. This provides an accuracy increase of the determination of above component comparatively with Saastamoinen’s formula.

Key words: atmospheric correction, atmospheric models, tropospheric delay, satellite distance measurements, GPS-observations.

Роботу присвячую світлій пам’яті Паляниці Бориса Дмитровича – мого батька.