Содержание к диссертации
Введение 2
1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АТМОСФЕРАХ ЗЕМЛИ, ВЕНЕРЫ, МАРСА 7
1.1. Атмосфера Земли 7
1.2. Краткие сведения о планете Венера и ее атмосфере 35
1.3. ПланетаМарс и ее атмосфера 37
2. ИНДЕКС ПРЕЛОМЛЕНИЯ АТМОСФЕРЫ С ИЗВЕСТНЫМ ГАЗОВЫМ СОСТАВОМ 39
2.1 Индекс преломления для отдельных газов и их смесей 39
2.2. Определение индекса преломления атмосферного воздуха 44
2.3. Точность определения индекса преломления электромагнитных волн в атмосфере 46
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОПРАВОК ЗА ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРЫ С ПРОИЗВОЛЬНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ В РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН 52
3.1. Краткий обзор и анализ методов определения поправок в расстояния, измеренные с помощью электромагнитных волн 52
3.2. Учет влияния атмосферы при измерении вертикальных расстояний и при спутниковом нивелировании 70
3.3. Определение поправок в расстояния методом численного интегрирования при использовании региональных моделей атмосферы 79
3.4. Определение сухой составляющей поправки в расстояние по параметрам атмосферы в начальной и конечной точках траектории ЭМВ и приближенным характеристикам атмосферы в промежуточных точках... 83
3.5. Определение поправок в расстояния при информации об атмосфере в начальной и конечной точках траектории электромагнитных волн 87
3.6. Определение поправок в расстояния за сухую составляющую при экстремальных условиях атмосферы 103
3.7. Определение поправки в расстояние сочетанием строгого и численного интегрирования ПО
3.8. Определение поправки за кривизну трассы электромагнитных волн в атмосфере 118
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОПРАВОК В РАССТОЯНИЯ, ИЗМЕРЕННЫЕ В РАДИОДИАПАЗОНЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ЗА ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕР ВЕНЕРЫ И МАРСА 12
5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ПОПРАВКИ В РАССТОЯНИЕ ЗА ЗАМЕДЛЕНИЕ СКОРОСТИ РАДИОВОЛН В АТМОСФЕРЕ U
5.1. Би-экспоненциальная модель индекса преломления U
5.2. Влажность воздуха на земной поверхности U
5.3. Вертикальное распределение влажности воздуха \1
5.4. Вывод эмпирической формулы изменения упругости водяного пара с высотой
5.5. Вывод формулы влажной составляющей поправки в расстояния М
6. ИССЛЕДОВАНИЕ ОШИБОК ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ СПУТНИКОВ И ПУНКТОВ НА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ИЗ-ЗА ВЛИЯНИЯ АТМОСФЕРЫ НА СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН V,
6.1. Источники ошибок при спутниковых определениях координат 1"
6.2. Определение координат спутника методом пространственной линейной засечки I"
6.3. Исследование точности определения координат спутника пространственной линейной засечкой способом моделирования 1 і
6.4. Определение положения пункта по измеренным расстояниям до четырех спутников
6.5. Дифференциальный метод определения положения пункта И
6.6. Учет влияния атмосферы при радиолокационной съемке И
Заключение И
Библиографический список 2(
Приложение
Введение к работе
Расстояния, измеряемые с помощью электромагнитных волн (ЭМВ), необходимы при решении многих задач науки и техники. В настоящее время наибольшее применение эти измерения имеют в следующих областях:
- определении расстояний от пунктов на земной поверхности или вблизи нее до созвездия спутников (системы ГЛОНАСС, GPS) для получения координат пунктов;
- измерении расстояний от пунктов с известными координатами до спутников для определения их координат и уточнения эфемерид ИСЗ;
- спутниковом нивелировании;
- радиолокационной съемке и активном дистанционном зондировании;
- лазерной локации космических объектов;
- лазерной локации наземных объектов с летательных аппаратов;
- лазерной локации Луны;
- радиолокационной съемке поверхности Венеры и других планет.
Измерение расстояний при решении конкретных задач выполняют в различных диапазонах электромагнитного излучения (Приложение).
В данной работе будут рассмотрены диапазоны ЭМВ от дециметровых ультракоротких до видимых оптических.
В основе методов определения расстояний электронными методами лежат выражения
S = VT или
S 2 где v-скорость распространения ЭМВ.
Дальномерная аппаратура дает информацию о времени распространения г , скорость v на бесконечно малом отрезке трассы ЭМВ определяют косвенным способом по формуле
с v = - , (1)
п
где с - скорость ЭМВ в вакууме, п - коэффициент преломления в текущей точке среды, в которой распространяются ЭМВ.
Широкое внедрение спутниковых технологий и значительное повышение точности определения координат пунктов на земной поверхности требуют серьезных разработок и исследований по высокоточному учету различных факторов внешней среды, влияющих на измеряемые расстояния. Такими факторами являются: затухание (ослабление интенсивности) ЭМВ, искривление траектории волн (рефракция ЭМВ), случайные изменения (флуктуации) параметров волн вследствие турбулентности воздушной среды и наиболее существенными — изменение скорости ЭМВ в ионосфере, тропосфере и стратосфере по сравнению с вакуумом. Согласно [14] «на основе выполненных измерений на двух несущих частотах представляется возможным... вычислить практически свободную от влияния ионосферы величину измеряемого до спутника расстояния...». Поэтому важной проблемой учета влияния атмосферы на дальномерные измерения является получение реальной скорости ЭМВ на трассе или определение поправок в расстояния за уменьшение скорости ЭМВ в тропосфере (задержка сигнала), т.е. определение [35,47]
S на
AS = -\0 6 JNdS = -\0 6 JNseczdH , (2)
О Hg
где N = (n — і)-10 - индекс преломления, п - коэффициент преломления, 5- расстояние от наблюдаемого объекта до приемника ЭМВ, z — зенитное расстояние трассы ЭМВ в ее текущих точках, //-высота.
Интеграл в формуле (2) не является табличным, поэтому для его определения применяют метод численного интегрирования, для реализации которого необходимо иметь высокоточную информацию о входящих в формулу (2) аргументов по трассе ЭМВ, получение которой в настоящее время практически невозможно.
Исследованием распространения ЭМВ в атмосфере, в основном рефракции световых волн, занимались многие отечественные и зарубежные ученые: А.И. Аузан, Н.А. Арманд, А.А. Генике, А.Н. Голубев, Ф.Д. Заблоцкий, А.А. Изотов, Е.Б. Клюшин, Ф.Н. Красовский, И.Ф. Куштин, Д.Ш. Михелев, А.Л. Островский, Л.П. Пеллинен, М.Т. Прилепин, А.В. Прокопов, Л.С. Юношев, Н.В. Яковлев, J. Saastamoinen, и многие другие.
В различных работах отмечается, что существующие методы позволяют устранить только 40-50% ошибки за влияние тропосферы. Для вертикальных расстояний сухая составляющая воздуха дает поправку примерно -2,2 м, а влажная -0,4 м, т.е. 40%-ный учет этих поправок может привести к ошибкам порядка -1,6 м. В наклонные расстояния эти поправки увеличиваются примерно пропорционально секансу зенитного расстояния. Особенно важен учет этих поправок при абсолютных определениях координат пунктов.
Цель работы. В связи с изложенным возникает необходимость решения комплексной научно-технической проблемы высокоточного учета влияния атмосферы на результаты измерений расстояний радиоэлектронными системами, определения поправок в расстояния за задержку сигнала в атмосфере планеты с известными параметрами и газовым составом только по информации об атмосфере в начальной и конечной точках траектории радиоволн и только у приемника излучения, если наблюдаемый объект расположен за пределами атмосферы (на высотах более 70-100 км).
Решение этой проблемы связано с комплексом теоретических разработок и экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования разработанных теорий целесообразно выполнять путем создания моделей атмосфер, отражающих как средние, так и экстремальные метеорологические характеристики, встречающиеся на Земле. Методом численного интегрирования дифференциальных уравнений поправок определяют их точные значения для созданных моделей. Из сравнения этих поправок с полученными теоретически определяют точность и границы использования выполненных разработок.
В настоящее время ведутся интенсивные исследования планет Солнечной системы, поэтому возникает необходимость в создании теорий распространения ЭМВ в атмосфере с произвольными параметрами и газовым составом, позволяющих определять поправки в расстояния за влияние атмосферы Венеры, Марса и других планет.
Методология исследований. Работа выполнялась с использованием теории распространения радиоволн, радиогеодезии, физики атмосферы, высшей и космической геодезии, теории математической обработки геодезических измерений. Путем создания математических моделей атмосферы со средними и экстремальными параметрами и методов численного интегрирования дифференциальных уравнений определялись практически безошибочные поправки в расстояния для различных высот и зенитных расстояний, для атмосфер Земли, Венеры, Марса. С полученными величинами поправок сравнивали их значения по разработанным в диссертации теоретическим положениям и формулам, требующим информацию об атмосфере только в концевых точках траектории ЭМВ. Кроме того, оценка точности полученных формул выполнялась с использованием теории математической обработки результатов геодезических измерений.
Научная новизна. Для решения данной проблемы выполнены теоретические и экспериментальные исследования, теоретически разработаны и обоснованы системы поправок в вертикальные расстояния за влияние атмосферы, которые практически при любых атмосферных условиях, включая и экстремальные, дают надежные результаты. Установлено, что сухая составляющая поправки для вертикальных дальностей зависит в основном от разности давлений в концевых точках траектории ЭМВ, а при наблюдении объектов, находящихся за пределами атмосферы, только от давления в пункте приема сигнала.
Для наклонных расстояний необходимо знать среднеинтегральные значения секанса зенитного расстояния. Для их определения получены соотношения, использование которых при зенитных расстояниях до 70° позволяет определять поправку в расстояние с ошибкой менее 2 мм. Для зенитных расстояний более 70° предложено два варианта: введен корректирующий коэффициент; атмосферу разбивают на участки, определяют поправки для каждого участка и суммируют их, причем, в промежуточных точках (на границах участков) достаточно иметь приближенную информацию об атмосфере.
Разработан и исследован метод определения поправок с сочетанием строгого и численного интегрирования применительно к радиодиапазону электромагнитного излучения. Показана высокая точность этого метода и целесообразность его широкого применения.
Получены эмпирические соотношения и формулы, позволяющие определять упругость водяного пара на различных высотах точнее, чем по известным формулам. Влажную составляющую поправки в расстояние предложено определять методом численного интегрирования.
Разработана методика высокоточного учета искривления трассы ЭМВ. На математических моделях исследованы ошибки определения координат спутника и пунктов на земной поверхности по результатам наблюдений ИСЗ из-за влияния атмосферы на точность определения расстояний.
Выполнены теоретические и экспериментальные исследования для учета влияния атмосферы на результаты радиолокационной съемки и активного дистанционного зондирования.
Исследовано влияние атмосфер Венеры и Марса на измеряемые расстояния и результаты радиолокационной съемки поверхности Венеры.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Теоретические разработки и экспериментальные (на моделях) исследования учета влияния атмосферы на вертикальные расстояния и результаты спутникового нивелирования по информации об атмосфере только в начальной и конечной точках трассы ЭМВ (для сухой составляющей индекса преломления).
2. Результаты исследования точности определения поправок в расстояния методом численного интегрирования при использовании материалов аэрологического зондирования.
3. Теоретические разработки и экспериментальные исследования по определению поправок в наклонные расстояния за сухую составляющую индекса преломления.
4. Методы определения поправок за кривизну трасс электромагнитных волн в атмосфере.
5. Теоретические и экспериментальные исследования влажной составляющей поправки в вертикальные и наклонные расстояния.
6. Результаты исследования ошибок определения координат спутников и пунктов на земной поверхности из-за влияния атмосферы на скорость распространения электромагнитных волн.
7. Оригинальная методика учета влияния атмосферы при радиолокационной съемке. Данные положения являются составными частями решения научно-технической проблемы повышения точности результатов измерения расстояний радиоэлектронными системами.
Практическая ценность работы. Повышение точности результатов измерения расстояний с помощью радиоволн путем учета влияния атмосферы на скорость распространения ЭМВ при информации об атмосфере только в концевых точках трассы электромагнитного излучения.
Апробация работы. Основные положения диссертации опубликованы в монографии «Учет влияния атмосферы на результаты измерения длин радиоэлектронными системами», в 12 опубликованных работах, докладывались за период с 1995 по 2003 г. на международных конференциях в Ростовском государственном строительном университете.
