Введение к работе
Актуальность темы. Одной из актуальных задач современной теории шространения электромагнитных волн в неоднородных средах является шитие и совершенствование метода геометрической оптики (лучевого іближения) с целью исследования влияния земной атмосферы на резуль-гы астрономо-геодезических наблюдений.
Необходимость в таких исследованиях связана с тем, что в настоя-ї время в астрономо-геодезических приложениях широко используются юды измерений, основанные на применении электромагнитных волн. К і относятся методы измерений координат объектов, расположенных на ілє, вблизи Земли или в космическом пространстве. Для этих измерений юльзуется огромный арсенал средств, куда входят как классические іборьі астрономии и геодезии, так и принципиально новые средства из-їєний: радио- и оптические локаторы, дальномеры для наземных и спут-совых измерений, радиотелескопы, радиоинтерферометры со сверхдлинной юй, навигационные системы (в том числе - спутниковые).
Имеющаяся экспериментальная база позволяет выполнять важные на-(но-хозяйственные работы, развивать ряд перспективных научных нап-ілєний (наземную и космическую геодезию, геофизику, геодинамику), >ающих исключительно важную роль в исследованиях Земли как планеты, :мических исследованиях, решении проблем экологии, предсказания зем-^рясений и т.д. В то же время потребности науки и техники, а также [а отраслей народного хозяйства в настоящее время удовлетворяется не шостыо из-за недостаточной точности астрономо-геодезических измере-[. Инструментальные возможности современной измерительной техники в ірономии и геодезии выросли уже настолько, что основным фактором, >аничивающим точность измерений координат, стало влияние земной ат-феры на характеристики электромагнитных волн, переносящих необходи-) информацию в процессе таких измерений.
Атмосферные эффекты при распространении электромагнитных волн от-іаются большим разнообразием, обусловленным сложностью земной атмос->ы как физического объекта. В общем случае земная атмосфера предс-іляет собой трехмерно-неоднородную среду с изменяющимися во времени аметрами, показатель (коэффициент) преломления которой содержит ре-[ярную и случайную составляющие. Случайная составляющая связана со «астическими процессами в атмосфере (атмосферной турбулентностью), [водящими к флуктуациям характеристик электромагнитных волн, вызыва-
- г -
ющим случайные погрешности измерения координат. Современный уровен теории распространения волн в турбулентных средах позволяет использо вать хорошо известные статистические методы минимизации случайных пог репшостей.
Что касается регулярных атмосферных эффектов, то применительно : астрономо-геодезическим измерениям они остаются недостаточно изученны ми. Это обусловлено не только сложностью задач точного количественяогі описания радиофизических эффектов при распространении волн в среде < произвольной регулярной неоднородностью (земной атмосфере), но и сие тематическим характером погрешностей, обусловленных регулярной неодно родностью атмосферы. Несмотря на то, что такие погрешности обычно нам ного превышают случайные, эффективные методы их учета либо исключена в настоящее время все еще продолжают интенсивно разрабатываться.
Наиболее важными регулярными эффектами, приводящими к атмосферна погрешностям результатов астрономо-геодезических наблюдений, являютс групповое запаздывание сигнала, связанное с тем, что скорость en распространения в земной атмосфере не совпадает со скоростью света : вакууме, и рефракционное искривление траектории, по которой распрост раняется сигнал.
Теоретической основой для исследования регулярных атмосферных эф фектов и учета влияния земной атмосферы на результаты астрономо-геодезических измерений является метод геометрической оптики (лучевое приб лижение), существенно развитый для решения таких задач усилиями науч ных школ Ю.А.Кравцова, В.А.Мисюры, С.М.Рытова, В.И.Татарского и ряд, других.
Большое число широко используемых конкретных методов определение атмосферных поправок к результатам астрономо-геодезических измерена разработано учеными Украины и бывшего СССР (А.В.Алексеев, В.А.Андриа нов, Н.А.Арманд, А.Г.Виноградов, В.В.Виноградов, Ю.С.Галкин, А.А.Гени ке, А.Н.Голубев, Б.М.джуман, Ф.Д.Заблоцкий, М.В.Кабанов, Е.Б.Клюшин М.А.Колосов, й.Г.Колчинский, И.Ф.Куштин, А.С.Медовиков, Н.Т.Миронов Н.Ф.Нелюбин, А.И.Нефедьева, А.Л.Островский, В.И.Пономарев, М.Т.Приле пин, А.В.Шабельников, Г.А.Шануров, З.И.Фейзулин, А.Ю.Яценко, Л.С.Юно шев и другие), а также зарубежными исследователями (J.Askne, H.Baby P.Bender, F.Brunner, J.Davis, C.Gardner, H.Hopfield, J.Marinl J.Murray, H.Nordius, J.Saastamoinen, G.Teleki и другие).
Необходимо отметить, что скалярный вариант лучевого приближения опирающийся на решение лучевых уравнений (ЛУ) геометрической оптик (ГО), позволяет сравнительно простыми средствами провести исследовани, и дать надежные оценки эффектов влияния земной атмосферы в астрономи;
л геодезии. Вместе с тем применение ЛУ для разработки высокоточных алгоритмов расчета корректирующих влияние земной атмосферы поправок к эезультатам астрономо-геодезических измерений наталкивается на серьезные трудности. Связано это с тем, что исходные ЛУ ГО представляют со-5ой систему нелинейных дифференциальных уравнений 2-го порядка, точное эешение которой для произвольного трехмерного профиля показателя пре-юмления воздуха (а именно таким профилем характеризуется земная атмосфера) неизвестно. Поэтому современные алгоритмы определения атмосферных поправок в оптическом и радиодиапазонах опираются на приближение решения ЛУ ГО, полученные в рамках прямой либо обратной задач тео-эии распространения радиоволн.
Разработанные к настоящему времени методы и модели атмосферной соррекции не удовлетворяют современным и перспективным требованиям к сочности измерений в оптическом диапазоне длин волн (например, в слу-іае дальномерных измерений на приземных трассах в настоящее время эбычно обеспечивается относительная погрешность 1-10-6 при требуемой югрешности 1-10-7; при измерении расстояний до искусственных спутников Земли (ИСЗ) может быть обеспечена абсолютная погрешность 1...4 см іри требуемой погрешности 0.1...0.5 см; в известных алгоритмах опреде-іения угла астрономической рефракции достигнута погрешность 0.01" , 5 то время как требуемая погрешность составляет 0.0002...0.0005").
Таким образом, существующий уровень развития теории влияния зем-юй атмосферы на результаты астрономо-геодезических наблюдений не поз-юляет решить проблему повышения точности измерений в астрономии и ге-щезии. Для решения проблемы необходимо привлечение радиофизических іетодов. Следует обратиться к поиску новых принципов решения известных >адач лучевой теории, позволяющих от приближенного рассмотрения узких іастньк вопросов перейти к разработке общего строгого подхода в иссле-(ованиях атмосферных эффектов в астрономии и геодезии.
Именно в такой постановке эта проблема и рассматривается в дис-;ертационной работе (см.рис.1), что и определяет актуальность, научное і прикладное значение темы выполненных исследований.
Предмет исследований - регулярные атмосферные эффекты при расп-юстранении электромагнитных волн оптического диапазона и методы учета ілияния земной атмосферы в астрономо-геодезических измерениях.
Связь работы с научными программами, планами, темами. Исследова-іия . выполнены в ГНПО "Метрология" в рамках государственных программ ["Программа фундаментальных исследований по метрологии", "Комплексный грогноз развития системы обеспечения единства измерений в СССР на .986-2005 г.г.) с учетом "Перечня основных направлений по фундамен-
тальным теоретическим исследованиям в области закрепленных за НП( "Метрология" видов измерений, составленного согласно приказу N17( Госстандарта от 12.05.88, и "Плана работ на 1986-1990 годы по комплексной программе "Определение рефракции оптического и радиодиапазоно] (РОРД)", утвержденного Бюро секции астрометрии Астрономического совет; АН СССР 30.09.87, по ряду тем, в том числе поисковой НИР "Разработка теоретических основ новых методов учета влияния земной атмосферы н< точность измерений больших длин, осуществляемых с помощью электромагнитных волн", НИР "Исследование принципов проектирования и созданиі систем координатно-временного обеспечения различных потребителей", выполненной в соответствии с распоряжением Президиума НАН Украины N0077! от 17.08.92 и др.
Проблема повышения точности учета влияния земной атмосферы на результаты астрономо-геодезических измерений, осуществляемых с помощью электромагнитных волн оптического диапазона
Разработка нового метода решения задач лучевой теории распространения электромагнитных волн - метода интегрального лучевого приближения (ИЛП)
Исследование радиофизических эффектов при распространении электромагнитных волн оптического диапазона в земной атмосфере с помощью метода ИЛИ
Законы преломления электромагнитных волн в трехмерно-неоднородной земной атмосфере
Групповое запаздывание электромагнитных волн на приземных и трансатмосферных трассах
Рефракционное удлинение траекторий электромагнитных волн на приземных и трансатмосферных трассах
Совместное влияние эффектов рефракции и дисперсии на характеристики распространения многоволновых сигналов
Астрономическая рефракция и ее аномалии в трехмерно-неоднородной земной атмосфере
Разработка и исследования высокоточных методов и алгоритмов определения атмосферных поправок к результатам астрономо-геодезических измерений
Рис.1. Проблема и схема ее решения в диссертационной работе.
- б -
Цель и задачи исследования (см. рис. 1). Цель диссертационной работы - создание теоретических основ для решения проблемы повышения точности учета влияния земной атмосферы на результаты астрономо-геодези-ческих измерений, осуществляемых с помощью электромагнитных волн оптического диапазона. Для достижения поставленной цели в работе решаются такие задачи:
-
Разработка и развитие нового метода решения задач лучевой теории электромагнитных волн - метода интегрального лучевого приближения (ИЛП).
-
Выполнение на основе метода ИЛП комплексных теоретических исследований влияния атмосферы Земли на результаты астрономо-геодезических измерений, осуществляемых с помощью электромагнитных волн оптического диапазона, в том числе: изучение атмосферных эффектов в наземной и спутниковой дальнометрии (групповое запаздывание сигнала в трехмерно-неоднородной атмосфере, рефракционное искривление и удлинение лучевых траекторий, пространственный разброс траекторий электромагнитных волн оптического диапазона с различными несущими частотами), развитие методов теории астрономической рефракции ( рефракция в трехмерно-неоднородной атмосфере, рефракционные аномалии, методы расчета астрономической рефракции при произвольных зенитных углах).
-
Разработка и исследование новых методов высокоточной коррекции влияния атмосферы в астрономии и геодезии, удовлетворяющих современным и перспективным требованиям к точности астрономо-геодезических измерений.
Научная новизна полученных результатов. 6 работе впервые:
-
Разработан новый метод решения задач лучевой оптики неоднородных сред - интегральное лучевое приближение. Характерной особенностью этого метода является переход от дифференциальных лучевых уравнений геометрической оптики к алгебраическим уравнениям для усредненных вдоль лучевых траекторий величин. С использованием интегрального лучевого приближения проведены комплексные теоретические исследования регулярных атмосферных эффектов, связанных с групповым запаздыванием и рефракционным искривлением траекторий электромагнитных волн оптического диапазона, разработаны новые методы учета влияния земной атмосферы на результаты астрономо-геодезических наблюдений.
-
Сформулированы интегральные представления законов преломления геометрооптических лучей, обобщающие на случай трехмерно-неоднородной земной атмосферы законы преломления Снеллиуса и теорему Ориани-Лапласа, известные ранее в одномерной модели. Получены новые аналитические соотношения, устанавливающие связь между удлинением траектории, груп-
- б -
повым (фазовым) запаздыванием электромагнитного сигнала и углом рефракции.
-
Развиты новые методы расчета астрономической рефракции, которые в отличие от известных аналитических методов не требуют вычислена интегралов от функций профиля показателя преломления воздуха. Разработана новая модель зависимости аномалий астрономической рефракции і трехмерно-неоднородной земной атмосфере от азимута и зенитного угла, < также новый алгоритм вычисления астрономической рефракции в сферически-слоистой атмосфере с произвольной зависимостью показателя преломления воздуха от высоты при произвольных зенитных углах, позволяющий повысить точность определения угла рефракдаи по данным метеоизмерений і точке наблюдения (для годичного - 1979 года - набора профилей радиозондирований атмосферы, проведенных на Харьковской метеостанции, точность предложенного алгоритма в диапазоне зенитных углов 0...80 оказалась соответственно в 100...4 раза выше, чем точность Пулковскк таблиц рефракции).
-
Обоснованы и исследованы новые высокоточные теоретические модели и расчетные алгоритмы для определения группового запаздывани: электромагнитных волн в приземном атмосферном слое, позволившие предложить новые методы коррекции группового запаздывания в наземной лазерной дальнометрии, обобщающие и уточняющие известные метод многоточечной аппроксимации и геодезический метод. Разработан и исследоваї новый метод определения группового запаздывания оптического сигнала і спутниковой лазерной дальнометрии. Установлено, что предложенный мето; позволяет получить практически несмещенную оценку атмосферной поправкі (для годичного - 1979 года - набора профилей радиозондирований, проведенных на Харьковской метеостанции, систематическая погрешность предложенного метода в диапазоне зенитных углов 0...80 оказалась соответственно в 80...8 раз меньше, чем аналогичная погрешность наиболеї точного из известных методов - метода Марини-Мюррея).
-
Предложены новые теоретические модели и проведены исследовани: рефракционного удлинения траекторий электромагнитных волн в земной атмосфере. Изучено влияние эффекта дополнительного удлинения траектори для трасс с локализованными неоднородностями показателя преломления ! приземном атмосферном слое на точность лазерных дальномерных измерений. Разработаны инструментальные методы определения рефракционної поправки в геодезической дальнометрии, не требующие информации об истинном вертикальном профиле показателя преломления воздуха либо привлечения априорных аналитических зависимостей для его описания. Исследовано удлинение траектории электромагнитного сигнала на трансатмос
ферных трассах и предложен новый метод определения поправки, учитывающей этот эффект для спутниковой дальнометрии с погрешностью, не превышающей погрешности наиболее точных методов коррекции группового запаздывания.
6. Проведены исследования и разработаны новые методы учета эффектов регулярного рефракционного пространственного разброса траекторий оптических сигналов с различной несущей частотой при дисперсионных (многоволновых) измерениях расстояний в неоднородной земной атмосфере. Установлен диапазон условий, при которых необходим учет рефракционного разброса. Разработаны новые модификации многоволновых методов лазерной дальнометрии, обеспечивающие аппаратурную коррекцию группового запаздывания с учетом разброса траекторий при относительной погрешности измерения расстояния не выше Ю-7.
Практическое значение полученных результатов. Результаты работы могут быть использованы при разработке средств измерений, применяемых в астрономии и геодезии, а также для методического обеспечения астрономических обсерваторий, станций лазерных спутниковых наблюдений, центров обработки астрометрических данных, предприятий и организаций геодезического и геофизического профиля. Результаты работы могут быть включены в учебные курсы вузов, готовящих специалистов по радиофизике астрономии, геодезии. Полученные в диссертации результаты внедрены в разработанных в ГНПО "Метрология" лазерных системах линейных измерений (результаты разделов 6,7); в методиках измерения среднеинтегрального показателя преломления воздуха, предназначенных для оснащения передвижной поверочной лаборатории в области линейных измерений ППЛ-10, а также для учета влияния земной атмосферы при дальномерных измерениях антенных базисов (результаты разделов 4,7); реализованы в программном средстве для расчета поправок, корректирующих влияние земной атмосферы в астрометрических измерениях (результаты разделов 3,4,5). Использование результатов работы подтверждено актами внедрения.
Обоснованность и достоверность теоретических положений и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечена корректным применением радиофизического подхода к решаемой проблеме, использованием строгих методов теории распространения волн, математического и векторного анализа, вычислительной математики и математической статистики, совпадением результатов численного моделирования по экспериментальным данным с известными из литературы результатами других авторов.
Личики склад соискателя. Часть результатов диссертационных исследований опубликована в работах, выполненных с соавторами. Вклад диссертанта в этих работах состоит в следующем:
В статьях [16,18,19,22,26,283 - постановка задач; разрг ботка методов их решения; проведение аналитических расчетов; участие подготовке и проведении численных экспериментов, анализе и интерпретг ции результатов исследований; формулирование выводов и написание текс тов статей.
В статьях [10,12,21,29] - постановка задач по определению тра екторий электромагнитных волн в регулярно-неоднородной земной атмосфе ре и учету влияния рефракционного пространственного разброса траектс рий электромагнитных волн с различными несущими частотами на точност многоволновых методов измерения расстояний; разработка методов решени поставленных задач; участие в аналитических и численных расчетах, ана лизе и интерпретации результатов; формулирование выводов и написали текстов статей.
В статьях [15,24,25,27] - постановка задач и разработка методо их решения; участие в аналитических и численных расчетах, анализе интерпретации данных; формулирование выводов; участие в написани текстов статей.
В статьях [14,20,23,30] - участие в постановке задач, разработ ке методов их решения, проведении аналитических и численных расчетов анализе результатов и формулировании выеодов, написании текстов ста тей.
В обзорных работах [2,11,13,17] - написание разделов о влияни земной атмосферы на точность дальномерных измерений; формулирование анализ проблем, определение перспективных направлений исследований целью разработки высокоточных методов коррекции влияния атмосферы наземной и спутниковой дальнометрии (включая многоволновые методы).
В монографии [1] - постановка и разработка проблем, касающихс регулярных атмосферных эффектов в дальнометрии (в том числе, разработ ка методов отыскания атмосферных поправок в дальнометрии на основе оп ределения траекторий электромагнитных волн в регулярно-неоднородно земной атмосфере; разработка методов учета пространственного разброс траекторий электромагнитных волн с различными несущими частотами н точность измерений, осуществляемых с помощью дальномеров-рефрактомет ров; разработка методов определения траекторий электромагнитных вол на трассах с локализованными неоднородностями показателя преломлени воздуха), а также разработка методов учета и исключения влияния диф ракционных эффектов, сопровождающих распространение и прием пространс твенно-ограниченных пучков электромагнитного излучения, на точност дальномерных измерений; написание соответствующих разделов монографии
На защту выносятся:
-
Новый метод решения задач лучевой теории распространения электромагнитных волн в земной атмосфере (интегральное лучевое приближение - ИЛП) и результаты его использования в астрономо-геодезических приложениях.
-
Результаты теоретических исследований астрономической рефракции и ее аномалий методом ИЛП; новый аналитический критерий применимости теоремы Ориани-Лапласа; новый алгоритм вычисления астрономической рефракции в оптическом диапазоне по наземным метеоданным, точность которого существенно выше точности Пулковских таблиц рефракции (для годичного - 1979 года - набора высотных профилей радиозондирований атмосферы, проведенных на Харьковской метеостанции, достигнуто повышение точности в диапазоне зенитных углов 0...80 в 100...4 раза соответственно) .
-
Разработанные на основе ИЛП новые теоретические модели и алгоритмы определения группового запаздывания оптических сигналов в земной атмосфере: градиентный метод определения среднеинтегрального значения показателя преломления воздуха в наземной дальнометрии (обобщающий и уточняющий известные метод многоточечной аппроксимации и геодезический метод); ИЛП-метод несмещенной оценки атмосферной поправки в спутниковой дальнометрии (для годичного - 1979 года - набора профилей радиозондирований атмосферы, проведенных на Харьковской метеостанции, систематическая погрешность предложенного метода в диапазоне зенитных углов 0...80 соответственно в 80. ..8 раз меньше аналогичной погрешности метода Марини-Мюррея, рекомендованного Международной службой вращения Земли для использования при лазерных наблюдениях ИСЗ ).
-
Новые теоретические модели и результаты исследования удлинения траекторий электромагнитных волн оптического диапазона вследствие рефракции в земной атмосфере. Разработанные на основе ИЛП методы и алгоритмы учета рефракционного удлинения при дальномерных измерениях на приземных и трансатмосферных трассах, точность которых не уступает точности ИЛП-методов и алгоритмов определения группового запаздывания.
-
Результаты теоретических исследований рефракционного пространственного разброса траекторий сигналов с различными оптическими частотами в земной атмосфере и новые методы учета этого эффекта при дисперсионных (многоволновых) измерениях расстояний, позволяющие достичь относительной погрешности Ю-7, удовлетворяющей современным и перспективным требованиям к точности геодезических измерений на приземных трассах.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты,включеннь в диссертацию, представлены и доложены на IV,VI,VIII Всесоюзных нау^ но-технических конференциях молодых ученых и специалистов Госстандарт (соответственно, Харьков,1980; Львов,1985; Новосибирск,1989), V Всесо юзной конференции "Метрология в радиоэлектронике" (Москва,1981), Все союзной конференции "Метрологическое обеспечение измерений частотных спектральных характеристик излучения лазеров" (Харьков,1982), III Все союзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград,1982), VII, VIII, IX X, XI, XII Всесоюзных симпозиумах по распространению лазерного излуче ния в атмосфере (соответственно, Томск,1983; Томск,1985; Красноярск 1987; Якутск,1989; Томск,1991; Томск,1993), Всесоюзной конференции "Метрологическое обеспечение измерений больших длин" (Харьков,1983), Всесоюзном совещании по рефракции электромагнитных волн в атмосфер (Томск,1983), Международном симпозиуме по определению рефракции в оп тической и радиоастрометрии (Пулково,1985), Всесоюзном совещании-семи наре по теоретической метрологии (Москва,1986), III, IV Всесоюзной на учно-технической конференции "Метрология в дальнометрии" (соответст венно, Харьков,1988;1992), Симпозиуме КАЛГ по изучению современных дв: жений земной коры (Дагомыс,1988), Международном симпозиуме "Геодезия сейсмология: деформации и прогноз" (Ереван,1989), Всесоюзной конференции "Радиофизическая информатика" (Москва,1990), XIII Междуведомствен' ном совещании по изучению современных движений земной коры на геодина мических полигонах (Ташкент,1991), III Орловской конференции "Изучен» Земли как планеты методами астрономии, геофизики и геодезии" (Одесса 1992), Международной конференции "Физика в Украине" (Киев,1993), Украинской научно-технической конференции "Метрология и измерительная техника" (Харьков,1995), Украинской научной-технической конференции "Метрология в геодезии" (Харьков,1996), а также на пленарных заседания; комиссии "Измерения больших длин" секции метрологии НТС Госстандарт; СССР (Харьков,1987,1988,1989,1990; Фрунзе,1990; Москва.1991) и на совместном заседании комиссии "Измерения больших длин" и секции 2А Научного совета АН СССР по комплексной программе "Распространение радиоволн", (Москва,1991).
Публикации. Результаты диссертационных исследований отражены в 5: публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 33 работах список которых приведен в конце автореферата [1-33]. Среди этих рабе 1 монография, 20 статей в рецензируемых периодически выходящих центральных научных журналах (в том числе - 7 статей без соавторов), ' публикаций в научно-технических сборниках и отдельной брошюре, 5 рабо: в трудах крупных всесоюзных и международных конференций и симпозиумов
Объем и сруктура диссертации. Диссертация содержит введение, 7 эсновных разделов с 11 табл. и 46 рис. (иллюстрации занимают 45 отдельных стр.), заключение, список использованных источников из 296 наименований на 34 стр., 3 приложения на 14 стр. Полный объем 343 стр.
