НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ГОЛОВНА АСТРОНОМІЧНА ОБСЕРВАТОРІЯ

Каблак Наталія Іванівна

Вплив атмосфери на віддалемірні спостереження штучних супутників Землі

01.03.01-астрометрія і небесна механіка

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Ужгород-1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі оптики в лабораторії космічних досліджень Ужгородського державного університету, Міносвіти України, в Головній астрономічній обсерваторії Національної Академії наук України.

Науковий керівник: | -доктор фізико-математичних наук Миронов Микола Трохимович,

Головна астрономічна обсерваторія Національної академії наук України,

старший науковий співробітник

Офіційні опоненти: | -доктор фізико-математичних наук, професор Марченко Олександр Миколайович, Львівський державний університет "Львівська політехніка", професор

-кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Медвецький Михайло Михайлович, Головна астрономічна обсерваторія Національної академії наук України

старший науковий співробітник

Провідна організація: | Астрономічна обсерваторія Київського університету ім.Т.Г.Шевченко

Захист відбудеться "22" квітня 1999 року на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.208.01 при ГАО НАН України. Початок засідання о 10 годині у великому конференц-залі ГАО за адресою:

252650, Київ-22, Голосіїв, ГАО НАН України.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ГАО НАН України.

Автореферат розісланий " 22 " березня 1999 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

к.ф.-м.наук Гусєва Н.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми випливає із необхідності розвитку технології денних лазерних та радіотехнічних спостережень штучних супутників Землі (ШСЗ), підвищення точності моделей редукцій за вплив атмосфери, врахування регіональних та локальних особливостей рефракційного поля, що відповідає задачам сучасного розвитку космічної геодезії і знаходить відображення в тематиці міжнародних симпозіумів, проектів, програм: Міжнародної служби обертання Землі (МСОЗ), Державної програми “Створення та розвиток державної служби єдиного часу і еталонних частот України” та інших національних проектів.

Існує велика кількість конкретних методів визначення атмосферної поправки до результатів астрономо- геодезичних вимірів, розроблених вченими України, Росії та інших зарубіжних країн (І.Г.Колчинський, І.І.Мотрунич, М.Т.Миронов, М.Ф.Нелюбін, А.Г.Нефедьєва, А.Л.Островський, О.В.Прокопов, А.В.Шабельников, Г.А.Шандуров, Л.С.Юношев, Дж.Аскне, Г.Бейбі, П.Бендер, Ф.Брюннер, Дж.Девіс, К.Гарднер, Г.Хопфільд, Дж.Мюррей, Я.Саастамойнен та інші).

Для визначення атмосферної поправки найточнішими вважаються моделі Саастамойнена та Маріні-Мюррея, які забезпечують точність визначення віддалі до ШСЗ декілька сантиметрів при зенітній відстані порядку 70°-80°. Перевірка відносної точності моделі Maріні-Mюррея, яку МСОЗ використовує як стандарт при опрацюванні лазерних віддалемірних спостережень ШСЗ, була проведена для регіону США, а також дещо пізніше для регіону України на нічний час доби.

Розвиток денних лазерних спостережень ШСЗ, підвищення інструментальної точності лазерних вимірювань відстаней до ШСЗ до 1-5 мм, розвиток радіотехнічних спостережень (GPS- спостереження), та виконання міжнародних національних програм і проектів зумовили необхідність проведення наших досліджень.

ЗВ’ЯЗОК РОБОТИ З НАУКОВИМИ ПРОГРАМАМИ, ПЛАНАМИ, ТЕМАМИ.

Робота виконана в рамках завдань державної програми “Створення та розвиток служби єдиного часу і еталонних частот України”, науково- дослідницьких тем Головної астрономічної обсерваторії Національної Академії Наук України (ГАО НАНУ), комплексного міжнародного та міжвузівського проекту “Закінчення створення мережі лазерно- локаційних станцій для спостереження ШСЗ на території України для вирішення завдань з геофізики, геодезії, картографії, навігації, геології, екології та метеорології” та в рамках науково- дослідницьких робіт лабораторії космічних досліджень Ужгородського державного університету.

Розроблені в дисертації алгоритми і програми, уточнена модель Маріні- Мюррей, результати дослідження атмосферних редукцій у відстань за даними денних аерологічних зондувань атмосфери передані в ГАО НАН України та на кафедру Пряшівського Університету (Словакія). Їх також можна рекомендувати для використання при обробці віддалемірних спостережень ШСЗ на пунктах створюваної міжвузівської мережі лазерно- локаційних станцій, а також можуть бути використані при створенні національної мережі геодинамічних станцій та опрацюванні результатів атрономо- геодезичних спостережень.

МЕТА І ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕННЯ

Мета дисертаційної роботи - більш точне врахування впливу атмосфери на результати віддалемірних спостережень ШСЗ у регіоні України в денний час доби.

Для досягнення поставленої мети була визначена необхідність розв’язання таких конкретних задач:

1. Дослідити, використовуючи сферично- симетричну та несферичну моделі, вплив земної атмосфери на результати віддалемірних лазерних та GPS- спостережень ШСЗ за одержаними впродовж року даними денних аерологічних зондувань атмосфери у регіоні України та в Будапешті.

2. Провести оцінку та аналіз моделей редукцій за атмосферу, рекомендованих МСОЗ для обробки віддалемірних спостережень ШСЗ.

3. Співставити результати дослідження впливу атмосфери на віддалемірні лазерні спостереження ШСЗ у нічний та денний час доби.

4. Дослідити і удосконалити моделі редукцій за атмосферу на основі виявлених регіональних і локальних особливостей впливу атмосфери на лазерні і радіовіддалемірні спостереження ШСЗ.

НАУКОВА НОВИЗНА ОДЕРЖАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ

В роботі вперше за даними денних аерологічних зондувань атмосфери:

1. Досліджено регіональні особливості та просторово- часові варіації атмосферних поправок до результатів лазерних та радіовіддалемірних вимірів у регіоні України.

2. Проведено оцінку та аналіз рекомендованих МСОЗ стандартних моделей для редукцій за денну атмосферу при віддалемірних спостереженнях ШСЗ.

3. Уточнена стандартна модель Маріні-Мюррей для знаходження величини поправки за вплив атмосфери при лазерних віддалемірних спостереженнях ШСЗ для регіону України.

4. Виконано порівняння результатів оцінки та аналізу стандартних моделей за даними нічних і денних аерологічних зондувань атмосфери.

5. Досліджено вплив вмісту водяної пари на результати раідотехнічних спостережень ШСЗ.

6. Досліджено і враховано регіональні та локальні особливості рефракційного поля в моделях редукцій за атмосферу при лазерних та радіовіддалемірних спостереженнях ШСЗ.

ПРАКТИЧНЕ ЗНАЧЕННЯ ОДЕРЖАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ

Дослідження впливу атмосфери на результати лазерних і радіотехнічних спостережень ШСЗ за даними денних аерологічних зондувань відповідає вимогам сучасного розвитку космічної геодезії, створення національної мережі геодинамінчих станцій і технології денних спостережень ШСЗ.

Практичне значення результатів роботи полягає в тому, що за даними аерологічного зондування атмосфери у регіоні України досліджено атмосферну поправку у віддаль до ШСЗ, уточнено формулу Маріні-Мюррей, яка рекомендована МСОЗ як стандарт при обробці лазерних спостережень і досліджено вплив нейтральної атмосфери при GPS-спостереженнях.

Результати роботи можуть бути використані для методичного забезпечення астрономічних обсерваторій, станцій лазерних супутникових спостережень, центрів обробки астрометричних даних, а також можуть бути включені до навчальних курсів вузів, що готують фахівців із астрономії та геодезії.

Одержані в дисертації результати реалізовано в програмному забезпеченні для розрахунку поправок за атмосферу при астрономо- геодезичних спостереженнях.

ДОСТОВІРНІСТЬ І ОБГРУНТОВАНІСТЬ НАУКОВИХ РЕЗУЛЬТАТІВ І ВИСНОВКІВ

сформульваних в дисертації, перевірялись шляхом порівняння з відомими з літератури результатами інших авторів, обробки великих масивів вимірювань, і забезпечені коректним використанням статистичних і математичних методів та друкованістю результатів.

ОСОБИСТИЙ ВНЕСОК ЗДОБУВАЧА полягає в безпосередній участі в постановці задач, розробці методів їх розв'язання, проведенні аналітичних та чисельних розрахунків, аналізі та інтерпретації одержаних результатів, формулюванні висновків, підготовці матеріалів до публікації.

НА ЗАХИСТ ВИНОСЯТЬСЯ:

1. Результати дослідження впливу атмосфери на лазерні і радіотехнічні віддалемірні спостереження ШСЗ за даними 468 денних аерологічних зондувань атмосфери в Ужгороді, Києві, Львові, Шепетівці, Сімферополі, Чернівцях, Одесі та Будапешті.

2. Результати оцінки та аналізу стандартної моделі редукцій за атмосферу, рекомендованої МСОЗ.

3. Порівняння та аналіз стандартних моделей атмосферних редукцій у віддаль до ШСЗ на основі обробки даних нічних і денних аерологічних зондувань атмосфери.

4. Уточнені моделі редукції за атмосферу з урахуванням виявлених регіональних і локальних особливостей впливу атмосфери на віддалемірні спостереження ШСЗ.

5. Дослідження нахилів ізопекнічних поверхонь і великомасштабних горизонтальних градієнтів рефракції, їх зміни з часом та висотою над рівнем моря.

6. Дослідження впливу вмісту водяної пари на результати радіовіддалемірних спостережень ШСЗ.

АПРОБАЦІЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДИСЕРТАЦІЇ

Основні результати роботи доповідались і обговорювались на Міжнародній науковій Конференції "Фізика Місяця і планет" (Харків,1994), Науковій конференції, присв'яченій 225-ій річниці заснування астрономічної обсерваторії Львівського університету (Львів, 1994), Міжнародному симпозіумі "Обертання Землі і системи відліку в геодинаміці" (Польша, Варшава,1995), на ІІІ-му з'їзді Української Астрономічної Асоціації (Київ,1995), Українській науково- технічній конференції "Метрологія в геодезії" (Харків, 1996), Міжнародній науковій конференції, присвяченій 125-ій річчю Астрономічної обсерваторії Одеського університету "Сучасні проблеми астрономії" (Одеса,1996), на четвертому з'їзді Української Астрономічної Асоціації (Київ,1997), ІІ-й науковій конференції пам'яті Б.Т.Бабія "Вибрані питання астрономії та астрофізики" (Львів,1998), наукових семінарах ГАО НАНУ, а також на щорічних наукових конференціях викладачів та наукових співробітників фізичного факультету УжДУ (1995-1998рр).

ПУБЛІКАЦІЇ. По матеріалах дисертації опубліковано 11 робіт, які приведені наприкінці автореферату.

СТРУКТУРА ТА ОБСЯГ ДИСЕРТАЦІЇ

Дисертація складається з вступу, трьох розділів, висновків і списку літератури. Вона містить 133 сторінок друкованого тексту, 19 рисунків, 9 таблиць, а також список літератури з 109 найменувань.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми, сформульована мета роботи, визначена наукова новизна і практична цінність одержаних результатів, подані основні положення, що виносяться на захист, а також стисла анотація роботи.

Перший розділ присвячений огляду літератури за темою. З метою підвищення точності астрономо-геодезичних спостережень виявлено необхідність проведення досліджень впливу атмосфери на результати віддалемірних спостережень штучних супутників Землі на денний період доби в регіоні України.

Другий розділ, присвячений дослідженню впливу атмосфери на точність лазерних віддалемірних спостережень штучних супутників Землі (ШСЗ).

Атмосферну поправку у віддаль при лазерній локації ШСЗ можна записати у такий спосіб:

Dr = Dr1 + Dr2 (1)

(2)

, (3)

де N(S) = 10+6 [n(S)-1]- індекс рефракції,

Dz- астрономічна рефракція в довільній точці просторової кривої S.

Формули (2) і (3) – це інтегральні вирази для поправки у віддаль із-за зміни швидкості поширення імпульсу в атмосфері Dr1 та для поправки, яка враховує викривлення траекторії лазерного імпульсу внаслідок рефракції (геометрична поправка), Dr2.. Індекс рефракції в довільній точці просторової кривої S описується функцією сферичних координат: висоти h над рівнем моря, географічної широти j і географічної довготи l'. Це дає можливість величину поправки Dr1 подати сумою двох членів:

Dr1 = Dr1S+Drg, (4)

де Dr1S –поправка за зміну швидкості розповсюдження лазерного імпульсу при припущенні сферично- симетричної моделі атмосфери,

Drg – поправка, що зумовлена відхиленням профілів індекса рефракції від сферичної симетрії, тобто існуванням горизонтальних градієнтів рефракції.

Для сферично-симетричної моделi атмосфери обчислення поправки у вiддаль, як суми поправок Dr1S i Dr2, проводилось для = 0.694 мкм при Z = 0є, 35є, 55є, 70є, 75є, 80є. При цьому використано 468 аерологiчних профiлiв метеопараметрiв, одержаних протягом року практично в однi i тi ж моменти часу (12 годин Всесвiтнього часу) в яснi днi (хмарнiсть менша 2 балiв) для 7 пунктiв регiону України i Будапешту.

В таблицi 1 поданi середнi величини поправок Dr1S в дослiджуваних пунктах для рiзних значень зенiтної вiдстанi.

Похибка iнтегрування при обчисленнi поправки у вiддаль за змiну швидкостi поширення лазерного випромiнювання у атмосферi майже на всьому дiап она азонi зенiтних вiдстаней Z вiд 0є до 80є становить приблизно 1 мм.

Похибка обчислення МСОЗ для обчислення впливу атмосфери в якості). Встандарту використовує формулу Марiнi-Мюррей. Ця формула дозволяє обчислити поправку за атмосферу Drm на основі виміряних наземних значень метеопараметрiв P0, T0, W0 в точцi спостережень (на поверхнi Землiодержана для сферично-симетричної моделi атмосфери i дає повну атмосферну поправку, тобто включає поправку Dr1S за змiну швидкостi поширення лазерного iмпульсу через атмосферу i за викривлення траекторії Dr2. За даними аерологiчного зондування атмосфери тiльки у регiонi США було проведено перевiрку вiдносної точностi цiєї формули.

Dr1S методом чисельного iнтегрування за даними аерологiчного зондування атмосфери, обумовлена похибкою вимiрювання метеопараметрiв і становить біля 2 мм при z=0° і 9мм при z=80°. Співставлення результатів дослідження впливу атмосфери на віддалемірні лазерні спостереження ШСЗ в нічний та денний час доби показало, що значення Dr1S вдень є меншим ніж вночі (на 4 см при z=80°).

Таблиця 1. Середнi величини поправок Dr1S (м) на вибраних зенiтних вiдстанях в дослiджуваних пунктах.

Пункт | h0,км | z, град

0 | 35 | 55 | 70 | 75 | 80

Одеса | 0.040 | 2.383

±0.004 | 2.908

±0.004 | 4.148

±0.006 | 6.911

±0.010 | 9.080

±0.013 | 13.302

±0.020

Ужгород | 0.120 | 2.366

±0.002 | 2.885

±0.003 | 4.120

±0.004 | 6.873

±0.006 | 8.987

±0.009 | 13.214

±0.014

Київ | 0.170 | 2.350

±0.003 | 2.867

±0.003 | 4.088

±0.005 | 6.818

±0.008 | 8.953

±0.011 | 13.117

±0.016

Чернівці | 0.210 | 2.349

±0.002 | 2.866

±0.003 | 4.086

±0.004 | 6.814

±0.007 | 8.943

±0.009 | 13.107

±0.014

Сімферополь | 0.280 | 2.318

±0.001 | 2.829

±0.002 | 4.033

±0.004 | 6.725

±0.006 | 8.414

±0.008 | 12.926

±0.015

Шепетівка | 0.280 | 2.328

±0.004 | 2.858

±0.005 | 4.044

±0.007 | 6.744

±0.012 | 8.857

±0.015 | 12.975

±0.023

Львів | 0.330 | 2.303

±0.002 | 2.811

±0.003 | 4.007

±0.004 | 6.602

±0.007 | 8.777

±0.009 | 12.845

±0.013

Будапешт | 0.150 | 2.355

±0.002 | 2.873

±0.002 | 4.097

±0.003 | 6.832

±0.005 | 8.968

±0.006 | 13.140

±0.015

Величина поправки Dr2 залежить від z. При z = 80є поправка приймає середнє значення приблизно 3 см і при сучасних вимогах до точностi вимiрювань, значення Dr2 потрiбно враховувати при редукції нiчних i денних лазерних спостережень ШСЗ. Середньоквадратичне вiдхилення Dr2 вiд середнього за рiк не перевищує 2мм при Z = 80є.

В роботі виконано перевірку точності формули Маріні-Мюррей на основi 268 денних значень аерологiчних зондувань атмосфери на протягом року для семи пунктiв України i пункта Будапешт. Використовуючи наземнi значення P0, T0, W0, обчислено значення поправки за формулою Марiнi- Мюррей для рiзних пунктiв зондування i проведено порiвняння їх iз значеннями атмосферної поправки Dr = Dr1S + Dr2 , одержаними методом чисельного iнтегрування даних. Формула Марiнi-Мюррей дає зміщене, а саме завищене значення поправки Drm. Величина змiщення вдень у 1.5 - 2 рази є бiльшою, нiж вночi. При Z =0є вона становить 0.38 см, а при Z = 80є вiдповiдно 2.7 см. Лише для пункту Чернiвцi вночi i вдень Drm < Dr.

Розходження результатів досліджень пояснюються тим, що: по-перше, формули Марiнi-Мюррей були виведенi для сферично-симетричної моделі атмосфери; по-друге, у формулi Марiнi - Мюррей температурний градiєнт ( = -6 /км) вважається сталим на рiзних висотах h, по-третє, приймалася умова гідростатичної рівноваги. Є й iншi наближення й допуски.

Приймаючи до уваги той факт, що рiзницi поправок (Drm -Dr) є змiщеними у всiх пунктах регiону України та Будапештi, як в денний так i в нiчний час доби, для досягнення потрiбної точностi проведено уточнення формули Марiнi-Мюррей шляхом визначення коефіцієнтів, що враховують регiональні i локальні особливості атмосфери у пункті спостереження. Значення коефіцієнтів наведені у таблиці 2.

Таблиця 2. Коефіцієнти А1, А2, А3, А4, які враховують локальні особливості пунктів спостереження.

Пункт | А1 | А2 | А3,х10-4 | А4,х10-5

Львів | 1,00067 | 0,00968 | 1,936 | 7,34

Сімферополь | 1,00040 | 0,00968 | 1,200 | 4,79

Київ | 1,00053 | 0,00968 | 1,530 | 5,95

Шепетівка | 1,00032 | 0,00968 | 0,895 | 3,38

Ужгород | 1,00051 | 0,00968 | 1,480 | 5,82

Середнє для регіону України | 1,00049 | 0,00968 | 1,410 | 5,45

Уточнена формула Марiнi-Мюррей для регiону України дає можливiсть точнiше обчислити значення поправки . Так, при Z = 70є величина змiщення мiж i зменшується у 4 рази (рис.1).

Отже, для регiону України формулу для визначення К при обчисленнi

поправки на відстань по формулi Марiнi - Мюрей можна записати у такий спосiб:

K = 1.00049 - 0.00968 cos2 - 1.410·10-4 T0 + 5.45·10-5 P0 (5)

Уточнену формулу Марiнi-Мюррей можна рекомендувати при обчисленні поправки на відстань до ШСЗ в регіоні України.

Були досліджені відхилення профілів індекса рефракції N від сферичної симетрії. Горизонтальні градієнти індекса рефракції N обумовлюють необхідність введення поправки у віддаль Drg, що залежить від зенітної відстані z, азимута ШСЗ і висоти h.

Для дослідження горизонтальних градієнтів рефракції в напрямку меридіана Nj i паралелі Nl', потрібно мати синхронні аерологічні зондування атмосфери не менше, ніж в трьох пунктах, розміщених в межах радіусом 150-200 км.

Оскільки прийнята умова, що Ng лінійно змінюються в горизонтальному напрямку, то поправка Drg включає ефект тільки лінійної варіації Ng в горизонтальному напрямку, що призводить до синусоїдальної залежності Drg від азимута. Тому обчислення проводились для різних напрямків по азимуту від А=0° до 360° із кроком DA=10° і для зенітних відстаней z= 10°, 50°, 70°, 80°. В денний період доби залежність Drg від азимуту чітко проявляється при z=70°. Різниця екстремальних значень складає 5.4 см, що майже у два рази більше, ніж в нічний час доби.

На величину значень фази і амплітуди поправок Drg великий вплив вносять топографічні умови розміщення пунктів спостережень, тобто характер поведінки поля температури і тиску, а також умови (час доби, хмарність), при яких були проведені аерологічні зондування атмосфери.

Отже, в роботі за даними денних аерологічних зондувань атмосфери досліджено вплив атмосфери при лазерних вимірюваннях віддалі до ШСЗ в межах сферичного й несферичного наближення, досліджено і враховано регіональні та локальні особливості впливу атмосфери. Одержані результати можуть бути використані для побудови локальних та регіональних моделей редукцій за атмосферу при астрономо- геодезичних вимірюваннях.

У третьому розділі досліджено вплив парів води в атмосфері на радіовіддалемірні спостереження ШСЗ.

Затримку радіосигналу в тропосфері можна подати сумою двох членів, поправки за вплив сухої атмосфери Drc і поправки за вплив парів води Drb :

, (6)

де Nc =77.64 - складова індекса рефракції в сухій нейтральній атмосфері;

Nb =64.68 +3.718·105 -складова індекса рефракції, спричинена парами води;

p1=p - l - парціальний тиск сухого повітря, мбар;

е - парціальний тиск водяної пари, мбар.

р - атмосферний тиск, мбар;

Т - температура повітря, °К.

В даній роботі для дослідження впливу парів води на радіовіддалемірні спостереження ШСЗ було використано 260 даних денних аерологічних зондувань атмосфери в п’яти пунктах регіону України. Поправку Drb обчислено на основі термодинамічних співвідношень за виміряними тільки на поверхні Землі метеопараметрами температура Т0, °К; тиск Р0,мбар; відносна вологість W0, %.

Значення температури повітря Ті і тиску Рі на висоті hі виражаються в такий спосіб :

Ti = T0 - bihi (7)

(8).

Індекси 0, і - означають, що значення величин відносяться до поверхні Землі, а також до і- ї висоти атмосфери відповідно. R- універсальна газова стала.

Вертикальний градієнт температури bi на висоті hi над поверхнею Землі (тобто швидкість зміни температури із висотою ):

, (9)

де g- прискорення вільного падіння.

В залежності від географічної широти j та висоти пункту спостереження над рівнем моря h0 вираз для g можна написати так :

gi = 9,806 [1- 0,0026 cos2j - 0,00031(h0+hi)], [м/с2] (10)

Питома теплоємність вологого повітря рівна:

Сpi = 1.005·107(1+0.96Si), [см2/с2град] (11)

Еквівалентну молекулярну вагу m0 вологого повітря можна обчислити за формулою:

m0=29·18/(18+11S0) (12)

Питома вологість повітря на поверхні Землі S0, тобто кількість водяної пари в грамах, що міститься в одному грамі вологого повітря виражається так:

S0=0.622e0/(P0-0.378eo) (13)

Парціальний тиск е0 водяної пари обчислюється за формулою Магнуса. Парціальний тиск еі, виражений через вміст водяної пари Sі на висоті атмосфери hi, рівний:

ei={29·Si/(18·11Si)}Pi, [мбар] (14)

В термодинамічній моделі Sі представлено так:

, (15)

де hі - в кілометрах.

Отже, профіль індекса рефракції вздовж шляху поширення електромагнітної хвилі одержується із рівнянь (7) - (15), а його інтеграл від поверхні Землі h0 до висоти hb =12 км дає значення поправки Drbт .

Для оцінки точності термодинамічної моделі було проведено порівняння значень поправок Drbт із значеннями Drb визначеними за реальними миттєвими профілями метеопараметрів, які одержані під час спостережень ШСЗ.

Із результатів досліджень слідує, що на z=75° максимальна різниця поправок становить приблизно ±16 см, а на z=0° - ±4см.

Такі розходження перш за все пояснюються тим, що висотний розподіл вмісту водяних парів неможливо точно представити певними співвідношеннями із-за локальних особливостей атмосфери. В термодинамічній моделі приймається, що висотний хід вмісту водяної пари описується експоненціальною залежністю (15), де коефіцієнт a=0.42км-1 приймається сталою величиною. Для більш детального дослідження вмісту водяної пари у атмосфері за формулою (13) було знайдено Sі на кожній висоті hі в 5-ти досліджуваних пунктах, а по них до висоти hn=16 км були визначені миттєві значення коефіцієнта a за формулою:

a = ln(Si/S0) / hi (16)

На рис.2 представлено реальні зміни коефіцієнта a з висотою hi протягом року в безхмарні дні для Ужгорода. Для інших пунктів результати аналогічні. Із аналізу результатів видно, що до висоти hi= 6 км, спостерігаються великі зміни a (від -0.14 до +0.93) км-1. Лише на висотах h=(8-11)км a є достатньо стабільним у всіх досліджуваних пунктах протягом року і приблизно рівний a » 0.42км-1 .

Використовуючи реальні значення ai, на основі термодинамічної моделі було обчислено DrbT* і проведено порівняння із аналогічними еталонними значеннями Drb. Із аналізу результатів слідує, що термодинамічна модель дозволяє визначити DrbT при z=75° із точністю ±5мм, якщо a є реальними. Отже, при цьому з’ясовується необхідність дослідження регіональних і локальних особливостей моделей редукцій, які залежать від пори року і від часу проведення віддалемірних спостережень (день чи ніч).

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

У зв’язку із функціонуванням МСОЗ, виконанням міжнародних програм "Динаміка твердої Землі", ВЕГЕНЕР-МЕДЛАС, Державної програми "Створення та розвиток служби єдиного часу і еталонних частот України" та інших, а також підвищенням інструментальної точності віддалемірних спостережень штучних супутників Землі до 1-5 мм одним із актуальних завдань є оцінка і удосконалення моделей атмосферних редукцій при аналізі та інтерпретації астрономо- геодезичних спостережень.

В дисертаційній роботі виконано аналіз і оцінку впливу атмосфери на лазерні і радіовіддалемірні спостереження ШСЗ в регіоні України та в Будапешті за даними денних аерологічних зондувань атмосфери. При цьому досліджено регіональні та локальні особливості моделей редукцій за атмосферу.

В дисертаційній роботі одержано такі основні результати:

1. Вивчено і проведено аналіз впливу атмосфери, в кожній точці якої індекс рефракції N представлений функцією сферичних координат. Це дозволило оцінити окремо вплив сферично-симетричної атмосфери і горизонтальних градієнтів при лазерних спостереженнях ШСЗ.

Для сферично- симетричної атмосфери обчислено поправки у відстань до ШСЗ Dr, як суми поправок за зміну швидкості поширення лазерного випромінювання Dr1S і викривлення траекторії із-за рефракції Dr2 (геометричної поправки).

Обчислення поправки Dr проводилось для l =0.694мкм і l=0.532мкм при z=0°, 35°, 55°, 70°, 75°, 80° з використанням 468 миттєвих метеопараметрів (Р, Т, W).

Зондування атмосфери проводилось до висоти 25-35 км протягом року в п’яти регіонах України і в Будапешті практично в одні і ті ж моменти часу (12hUT) в ясні дні- (хмарність менша 2 балів).

Випадкова похибка обчислення N не перевищує 0.5 N- од., а похибка обчислення поправки Dr, що зумовлена похибками вимірювання метеопараметрів, становить біля 2 мм при z=0° і 9 мм при z=80°. Поправка Dr1S в середньому для регіона України становить 2.340м при z=0° і 13.09м при z=80°. Середні річні значення Dr1S вдень є меншими, ніж вночі, що слідує із залежності індекса рефракції від температури. Значенням Drb притаманні сезонні коливання з амплітудою (6-8) см. Ці коливання обумовлені сезонними варіаціями метеопараметрів і залежать від географічного розташування пункту аерологічного зондування. Значення Dr1S також залежать від висоти пункту спостереження над рівнем моря h, тобто зменшується із збільшенням висоти h.

Геометричну поправку Dr2, при сучасних вимогах до точності вимірювань, потрібно враховувати при редукції нічних і денних лазерних спостереженнях ШСЗ. Значення Dr2 при z=80° для регіону України набуває середнього значення приблизно 3 см. Середньоквадратичне відхилення Dr2 від середнього за рік не перевищує 2 мм при z=80°.

2. МСОЗ для обчислення величини впливу атмосфери при лазерних спостереженнях ШСЗ рекомендує формулу Маріні-Мюррея. Вона одержана для сферично-симетричної моделі атмосфери і дає повну поправку Drm=Dr1S +Dr2. Виконано перевірку точності формули Маріні-Мюррей на основі 468 денних миттєвих значень аерологічного зондування атмосфери в регіоні України. Встановлено, що формула Маріні-Мюррей дає завищене значення поправки Drm. Причому величина зміщення вдень у 1,5-2 рази більша, ніж уночі. Для l=694.3нм в середньому вона становить 0.38 см при z=0° i 2.7см при z=80°. Випадкова похибка Drm становить від 1мм при z=0° і до 7 мм при z=80°. Проведено уточнення формули Маріні-Мюррей для регіону України шляхом врахування регіональних та локальних особливостей атмосфери. Знайдено уточнені значення коефіцієнтів у формулі Маріні-Мюррей з урахуванням локально - топографічних особливостей для кожного досліджуваного пункту зокрема, і для регіону України в цілому. Величина зміщення при z=70° зменшилась у 4 рази. Отож для підвищення точності врахування впливу земної атмосфери на результати лазерної віддалеметрії в регіоні України можна рекомендувати уточнену формулу Маріні-Мюрерй.

3. За даними денних синхронних аерологічних зондувань атмосфери протягом року в 5 пунктах України, розташованих на відстані 150-200 км один від одного, визначено великомасштабні горизонтальні градієнти рефракції Drg для різних висот h над земною поверхнею і оцінено їх вплив на лазерні спостереження ШСЗ. Опорним пунктом вибрано Львів. Горизонтальні градієнти індекса рефракції обумовлюють систематичну похибку. Тому виникає необхідність введення поправки Drg у відстань, що залежить від горизонтальних координат і азимута ШСЗ. Поправка Drg у відстань має синусоїдальну залежність від Drg, в середньому дорівнює (2.5-3.0) см при z=70° та зменшується до кількох міліметрів поблизу зеніта. Межі зміни значень горизонтальних градієнтів рефракції при денних спостереженнях ШСЗ у 2-3 рази більші, ніж при нічних.

4. Дослідження затримки радіосигналу Dr при поширенні в земній атмосфері та її врахування при проведенні високоточних віддалемірних спостережень ШСЗ все ще залишається актуальним. Труднощі виникають при визначенні поправки на відстань внаслідок зміни вмісту парів води в атмосфері.

В роботі представлено результати дослідження впливу нейтральної атмосфери на радіовіддалемірні спостереження ШСЗ. Обчислення проводились за даними 260 денних миттєвих аерологічних профілів метеопараметрів в 5 пунктах регіону України при z=0°, 35°, 55°, 70°, 75°. В середньому для регіону України Dr при z=0° становить (2.29-2.38) см і зростає із збільшенням зенітної відстані. При z=75° Dr досягає (8.84-9.93)см. Поправка за вміст водяної пари у атмосфері Drb у всіх пунктах не перевищує (4-5)% від сумарної поправки Drb, але вплив на визначення відстані до ШСЗ є суттєвим із-за значних просторово- часових варіацій. Так, у всіх досліджуваних пунктах в зимовий період, коли температура повітря є низькою, а отже, парціальний тиск водяної пари теж малий, Drb при z=75° становить (0.1-0.2) м, і навпаки, влітку, завдяки великій температурі нижніх шарів атмосфери, Drb становить (0,7-0,9) м. Похибка обчислення поправки Dr методом чисельного інтегрування становить біля 2 мм в зеніті. Необхідно відмітити, що не виявлено залежності поправки Drb від висоти пункту над рівнем моря, що свідчить про локальні особливості вологої атмосфери. Для дослідження вкладу різних прошарків атмосфери в поправку Drb за даними аерологічного зондування в усіх досліджуваних пунктах обчислено значення індекса рефракції та парціального тиску на різних висотах h атмосфери. Це дало можливість визначити в кожному пункті протягом року висоти hb, починаючи з яких впливом водяної пари можна нехтувати. Для Києва висота hb протягом року коливається в межах (8.5-13) км, а для Львова (7-15)км. Отже, висота hb є не постійною, носить локальний характер.

5. В дисертаційній роботі представлено аналіз значення поправок, обчислених по моделі на основі термодинамічних співвідношень DrbT, по моделі Хопфільда DrbХП і по миттєвих профілях метеопараметрів в п’яти досліджуваних пунктах України. Між модельним представленням поправки (DrbТ, DrbХП) та значеннями Drb, одержаними на основі миттєвих профілів метеопараметрів, зміщень немає, але є значні розходження. Так, при z=75° максимальні розходження (Drb-DrТ) становлять приблизно ±16 см, а при z=0° ці різниці поправок досягають ±4 см. Такі розходження пояснюються локальними особливостями атмосфери.

В термодинамічній моделі приймається, що висотний хід вмісту водяної пари описується експоненціальною залежністю, де коефіцієнт a приймається сталою величиною (a=-0.42км-1). За реальними миттєвими профілями метеопараметрів в усіх досліджуваних пунктах в кожній точці зондування атмосфери до висоти h=16км були визначені значення коефіцієнта a експоненціальної залежності питомої вологості повітря із висотою.

Із аналізу результатів видно, що до висоти hi=8км спостерігаються великі зміни a (від -0,14 до +0.93км-1). Лише на висотах h8-11км значення a достатньо стабільні і становлять приблизно 0,42 км-1. Досліджено, що, використовуючи реальні значення коефіцієнта a у атмосфері, термодинамічна модель дозволяє визначити DrbТ при z=75° з точністю ±5мм.

Отже, мета дисертаційної роботи досягнута: підвищено точність врахування впливу атмосфери на результати денних віддалемірних спостережень ШСЗ в регіоні України шляхом врахування регіональних та локальних особливостей атмосфери.

Результати досліджень можуть бути використані:

а) при обробці віддалемірних спостережень ШСЗ в пунктах створюваної міжвузівської мережі лазерно-локаційних станцій в регіоні України;

б) при дослідженні регіональних і локальних особливостей атмосфери для одержання моніторингу вологої компоненти.

Основні результати дисертації опубліковані в наступних роботах:

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

Каблак Н.І.

Вплив атмосфери на віддалемірні спостереження штучних супутників Землі.

Дисертація на здобуття вченого степеня кандидата фізико-математичних наук із спеціальності 01.03.01 - Астрометрія й небесна механіка.

Головна астрономічна обсерваторія Національної Академії наук України, Київ, 1999.

Дисертація присвячена проблемі підвищення точності врахування впливу земної атмосфери на результати денних віддалемірних спостережень штучних супутників Землі.

За одержаними впродовж року даними денних аерологічних зондувань в регіоні України та в Будапешті, використовуючи сферичну симетричну та несферичну моделі атмосфери, визначено поправки, їх просторово-часові варіації.

Проведено оцінку та аналіз моделей редукцій за атмосферу, рекомендованних МСОЗ для обробки віддалемірних спостережень ШСЗ. Досліджено і удосконалено моделі редукцій за атмосферу на основі виявлених регіональних і локальних особливостей впливу атмосфери на лазерні та радіовіддалемірні спостереження ШСЗ.

Ключові слова: електромагнітний імпульс, атмосферна поправка, лазерні та радіовіддалемірні спостереження.

Kablak N.I.

Influence of the atmosphere on the distance ranging observations of the Earth artificial satellites.

Thesis for Candidate of Science Degree in Physics and Mathematics.

01.03.10- astrometry and skycelestial mechanics.

The Main Astronomical Observatory of the National Academy of

Sciences of Ukraine,Kiev,1999.

Dissertation is devoted to the problem of accuracy increasing in allowing for Earth’s atmosphere influences on results of daily ranging observation of the Earth artificial satellites. Atmosphere delays and their spatial-timely variations for spherical-symmetrical and nonspherical models of atmosphere were determined radiosounding data gathered during a year in a regions of Ukraine and Budapest using. Developed valuing and analysis of models reductions to over of atmosphere, which recommended of IERS for processing distance ranging observation of the Earth artificial satellites. Investigated and improved models of reductions to over of the atmosphere on the basis of discovered regionals and local peculiaritys of influence atmosphere on the laser and radio ranging observations of the of the Earth artificial satellites.

Keywords: electromagnetic impulse, atmosphere delay, laser and distance ranging observations

Каблак Н.И.

Влияние атмосферы на дальномерные наблюдения искусственных спутников Земли.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.03.01 - астрометрия и небесная механика. - Главная астрономическая обсерватория Национальной Академии наук Украины, Киев, 1999.

Диссертация посвящена проблеме повышения точности учета влияния земной атмосферы на результаты дневных дальномерных наблюдений искусственных спутников Земли. На основании полученных на протяжении года данных аэрологического зондирования атмосферы в семи пунктах Украины (Одесса, Ужгород, Киев, Черновцы, Симферополь, Шепетовка, Львов) и в Венгрии (Будапешт), используя сферично-симметричную модель атмосферы, определены значения поправок и их пространственно-временные вариации на разных зенитных расстояниях. Выполнен сравнительный анализ точности определения поправок в измерение расстояния космических объектов. Результаты исследований предоставили возможность получения целостной картины региональных особенностей влияния атмосферы на результаты лазерной локации ИСЗ в ночное и дневное время суток.

Национальное управление по исследованию космического пространства (NASA) США и Международная служба вращения Земли (МСВЗ) для обработки дальномерных наблюдений ИСЗ в глобальной сети станций рекомендуют в качестве стандарта формулу Марини-Мюррей. Поэтому существует необходимость более строгой оценки точности данной формулы для разных регионов Земли, а также, для тех погодных условий и тех моментов времени, когда проводятся лазерные наблюдения ИСЗ.

Проведено анализ и получено оценку точности формулы Марини-Мюррей на основании 468 дневных значений аэрологического зондирования атмосферы на протяжении года для семи пунктов Украины для l=0,694мкм и l=0,532 мкм. Результаты исследований показывают, что формула Марини-Мюррей дает завышенное значение атмосферной поправки у всех исследуемых пунктов. Величина смещения в дневное время суток в полтора- два раза больше чем в ночное. Проведено уточнение формулы Марини-Мюррей путем определения коэффициентов, что учитывают региональные и локальные особенности атмосферы в пунктах наблюдения. Уточненную формулу Марини-Мюррей можно рекомендовать для использования при обработке лазерных наблюдений ИСЗ в пунктах Украины.

Исследовано отклонение индексов рефракции от сферичной симметрии. По данным дневных синхронных аэрологических зондирований атмосферы на протяжении года в пяти пунктах Украины, находящихся на расстоянии не менее 150-200 км один от другого, определены крупномасштабные горизонтальные градиенты рефракции для разных высот над земной поверхностью и оценено их влияние на лазерные наблюдения ИСЗ. Опорным пунктом избран пункт Львов. Горизонтальные градиенты индекса рефракции обуславливают необходимость введения поправки в дальность, которая зависит от горизонтальных координат и азимута ИСЗ. На величину значений фазы и амплитуды поправок, обусловленных существованием горизонтальных градиентов рефракции, большое влияние вносят топографические условия расположения пунктов наблюдения, т.е. характер поведения поля температуры и давления, а также условия (время суток, облачность), при которых были проведены наблюдения.

Представлены результаты исследования влияния нейтральной атмосферы на радиодальномерные наблюдения ИСЗ. Определено содержание и сезонные изменения водяных паров в атмосфере и их влияние на точность дальномерных измерений в пяти пунктах Украины. Результаты были получены при использовании 260 данных дневных профилей аэрологического зондирования атмосферы. Поправка за влияние водяных паров в атмосфере не превышает 4-5% от суммарной поправки, но ее влияние на точность определения дальности до ИСЗ существенно из-за значительных пространственно-временных вариаций. Для исследования степени влияния разных слоев атмосферы на поправку, вычислены значения индекса рефракции и парциального давления на разных высотах во всех пунктах. Это дало возможность определить для каждого пункта на протяжении года значения предельной высоты атмосферы, выше которой влиянием водяных паров на точность дальномерных измерений можно пренебречь.

Проведен анализ значений поправок за влияние водяных паров, найденных по термодинамической модели с использованием только наземных значений метеопараметров. Между модельным представлением поправок и значениями поправок, вычисленных по мгновенным профилям метеопараметров, смещения нет, но есть расхождения, наличие которых можно объяснить тем, что высотное распределение содержания водяных паров в атмосфере невозможно точно представить определенными соотношениями из-за локальных особенностей атмосферы. Для наиболее точного учета влияния водяных паров атмосферы на дальномерные наблюдения ИСЗ нужно обьединить измерения метеоданных выполненых на поверхности Земли и с помощью радиозондов. Поэтому для каждой станции наблюдения может существовать своя модель, которая учитывает региональные, топографические, климатические и локальные особенности данного пункта.

Ключевые слова: электромагнитный импульс, атмосферная поправка, лазерные и радиодальномерные наблюдения.