Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Факторы, определяющие рефракцию радиоволн дециметрового диапазона в атмосфере -15
1.1 Коэффициент преломления радиоволн дециметрового диапазона в атмосфере - 15
1.2 Рефракция радиоволн в атмосфере - 18
1.3 Исследование атмосферы радиометодами - 29
1.4 Выводы - 35
Глава 2 Исследование влияния высотной структуры атмосферы на рефракцию радиоволн - 37 2.1 Исследование вертикально-временной структуры индекса рефракции по данным радиозондирования - 37
2.2 Исследование вертикальной структуры по эмпирической моделитропосферы и стратосферы 43
2.3 Вертикальные профили индекса рефракции радиоволн в ионосфере - 45
2.4 Оценки ошибок, вносимых слоями атмосферы в спутниковые измерения - 47
2.5 Выводы - 58
Глава 3 Методика исследования вертикальных профилей индекса рефракции радиоволн в тропосфере с помощью наземных приемников спутниковых навигационных систем - 60
3.1 Эксперимент на сети приемников GPS/ГЛОНАСС - 60
3.2 Радиорефрактометрический метод исследования профиля индекса рефракции радиоволн - 66
3.3 Сравнение решения с данными реанализа. Проверка адекватности решения обратных задач -
3.4 Выводы - 77
Глава 4 Временные вариации индекса профиля рефракции в атмосфере -79
4.1 Суточный ход высотного профиля индекса рефракции - 79
4.2 Синоптические и сезонные вариации профиля индекса рефракции радиоволн - 82
4.1 Вклад динамических атмосферных процессов в дисперсию индекса рефракции радиоволн - 85
4.4 Выводы - 87
Заключение - 89
Список литературы
- Рефракция радиоволн в атмосфере
- Вертикальные профили индекса рефракции радиоволн в ионосфере
- Сравнение решения с данными реанализа. Проверка адекватности решения обратных задач
- Синоптические и сезонные вариации профиля индекса рефракции радиоволн
Введение к работе
Актуальность исследований.
Исследования прохождения радиоволн в средах начались с появлением радиосвязи. В применении к атмосфере это означало в первую очередь развитие теоретических и экспериментальных исследований закономерностей распространения ультракоротких волн на околоземных трассах в зависимости от метеорологических условий. К числу важных характеристик атмосферы надо отнести коэффициент преломления радиоволн так как, его зависимость от высоты над земной поверхностью вызывает искривление траектории радиоволн и, соответственно, влияет на точность радиотехнических систем. Структуру индекса рефракции как меры изменчивости коэффициента преломления важно исследовать для радиоволн дециметрового диапазона, которые широко используются для целей спутниковой геодезии и радионавигации. Запуски спутников Земли привели к возникновению новых методов исследования атмосферы с помощью радиоволн, приходящих в точку приёма с определённой информацией о состоянии трассы и потребовали изучения влияния атмосферы на характеристики радиоволн.
В России это одна из первых работ, применяющая наземное ГЛОНАСС и GPS оборудование для исследования приземных слоев атмосферы. В России глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) обычно используются для томографии ионосферы или стратосферы [см. работы В.Е. Куницы-на, О.И Яковлева, А.Г. Павельева и др.], но мало работ по использованию спутниковых навигационных систем для исследования тропосферы, особенно пограничного слоя. В других странах, таких как Япония, Америка, некоторых странах Европы давно применяются сети GPS для измерения влагосодержа-ния атмосферы.
Цель работы - выявление особенностей вертикальной структуры индекса рефракции радиоволн и ее временных вариаций по экспериментальным данным.
Чтобы достичь поставленной цели, необходимо было выполнить следующие задачи:
Построить эмпирические модели поведения индекса рефракции дециметровых радиоволн в тропосфере и оценить его влияние на спутниковые радиоизмерения.
Провести эксперимент радиозондирования атмосферы с помощью сети приемников глобального позиционирования, реализовать методику рефрактометрической оценки вертикальной структуры индекса рефракции радиоволн по измерениям сети приемников ГНСС и провести сравнение результатов с независимыми данными.
Выявить и проанализировать полученные закономерности высотно-временных вариаций индекса рефракции дециметровых радиоволн в тропосфере.
Методы исследования
Решение поставленных задач базируется на комплексном подходе, использующем статистические методы обработки реальных метео и геофизических данных, длинных рядов натурных радиоизмерений, модель коэффициента преломления радиоволн в неоднородной среде. В качестве метода решения обратной задачи применяется метод регуляризации Тихонова.
Научная новизна данной работы заключается в следующем.
Впервые получены эмпирические модели сезонных вариаций высотного профиля индекса рефракции дециметровых радиоволн в тропосфере для региона г. Казани.
Впервые методом пассивного радиозондирования получены длинные ряды профиля индекса рефракции дециметровых радиоволн сетью приемников ГНСС, проведено сравнение результатов с независимыми данными для региона г. Казани.
Впервые по данным пассивного радиозондирования сетью приемников ГНСС получены суточные и межсуточные вариации вертикальной структуры индекса рефракции дециметровых радиоволн, сделаны оценки вклада в его дисперсию атмосферных вариаций различного временного масштаба.
На защиту выносятся:
Экспериментальные результаты пространственных вариаций индекса рефракции дециметровых радиоволн, полученные с помощью сети приемников спутниковых навигационных систем и их сравнение с независимыми данными радиозондирования и реанализа.
Закономерности пространственно-временной изменчивости неоднородной структуры индекса рефракции дециметровых радиоволн в тропосфере для территории РТ.
Эмпирические модели сезонных вариаций высотного изменения индекса рефракции дециметровых радиоволн в тропосфере, полученные по радиозондовым данным для окрестности г. Казани.
Достоверность полученных результатов подтверждена базой уникальных данных мониторинга фазовых измерений, выполненных сетью пространственно разнесенных станций в г. Казань (55.8 с.ш., 49.1 в.д.) в период с 2007 года по 2010 год включительно, использованием адекватного математического аппарата. Основные результаты подтверждены их сравнением с теоретическими и экспериментальными данными, полученными независимыми исследованиями других авторов.
Практическая ценность работы. Методика, представленная в данной работе, применима для исследований поведения индекса рефракции дециметровых радиоволн в тропосфере над другими территориями. Использова-
ниє радиозондирования сигналами систем позиционирования способствует сокращению расходов на получение экспериментальных данных при увеличении временного разрешения, позволяет получить данные мониторинга для расчетов при прогнозе метеопараметров или условий распространения радиоволн в тропосфере.
Личный вклад автора
Автором выполнены основные работы по решению поставленных задач. Он лично принял участие в работах по созданию сети приемников спутниковых навигационных систем и сбору экспериментальных данных. Реализована методика оценки высотных изменений индекса рефракции дециметровых радиоволн. Проведен эксперимент и получены результаты - вариации пространственной структуры индекса рефракции дециметровых радиоволн в атмосфере и её динамика. Проведен анализ полученных результатов. Сделаны основные выводы по полученным результатам. Автор выражает глубокую благодарность всем своим соавторам за согласие использовать результаты совместно проведенных исследований в диссертации. Вклад соавторов (О.Г. Хуторовой, Г.М. Тептина, А.П. Шлычкова, В.Е. Хуторова) заключался в организации эксперимента и общей постановке задач по направлению исследований, автоматизации обработки некоторых результатов эксперимента, оценке горизонтальной структуры и турбулентных флуктуации, радиозондовым измерениям метеопараметров.
Апробация результатов
Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Всероссийская научная конференция «Изменяющаяся окружающая среда и устойчивое развитие регионов: новые методы и технологии исследований», Казань, 2009; XVI Рабочая группа «Аэрозоли Сибири», Томск, 2009; Региональная научно-практическая конференция «Геоинформационные системы. Тенденции, проблемы, решения», Казань, 2008; III Межрегиональная конференция «Промышленная экология и безопасность», Казань, 2008; XXII Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн», Сочи, Сентябрь 2008; II Волжская региональная молодежная научная конференция, Зеленодольск: 2009; международный конгресс «Чистая вода», Казань, 2010; XXI Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн», Йошкар-Ола, Май 2011; международный симпозиум «Атмосферная Радиация и Динамика», С.-Петербург, 2009 и 2011.
Автор принимал участие в качестве исполнителя в исследованиях, поддержанных грантами: РФФИ 04-05-64194, НИОКР 09-9.5-187, грантом молодых ученых Академии наук РТ 07-2/2008, ГК Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы (№ П162).
Работа удостоена наград: призовое место в секции радиофизика на итоговой студенческой научно-практической конференции КГУ, Казань,
2008; Грамота молодых ученых (1-е место) на II Волжской региональной молодежной научной конференции, Зеленодольск, 2009, диплом конкурса молодых ученых XVI рабочей группе "Аэрозоли Сибири", Томск, Ноябрь 2009.
Публикации. Автором опубликовано по теме диссертации 20 работ. Из них 8 статей в научных журналах (из них 3 в журналах, рекомендованных списком ВАК), 7 статей в сборниках трудов научных конференций, 5 опубликованных тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 103 страницы печатного текста, в том числе 26 рисунков, 3 таблицы. Список литературы содержит 96 источников.
Рефракция радиоволн в атмосфере
В главе проводится: исследование влияния вертикальных неоднородностей основных параметров нижней атмосферы (коэффициента преломления и индекса рефракции), которые определяют рефракцию радиоволн дециметрового диапазона.
Максимальный вклад вносит тропосфера, как слой с максимальным вертикальным градиентом плотности воздуха, кроме того в нём большое содержание водяного пара, которое влияет на рефракцию радиоволн дециметрового диапазона для систем глобального позиционирования GPS/GLONASS.
Помимо этого исследованы другие слои атмосферы. Так, стратосфера вносит менее значимый твклад в искривление распространения электромагнитных волн дециметрового диапазона. Ионосфера же, ввиду высокой концентрации электронов, вносит особый вклад - «отрицательное» искривление. Вклад ионосферы в полную рефракцию можно устранить путем применения многочастотного зондирования.
В третьей главе рассмотрена созданная сеть наземных приемников сигналов глобальных спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS в г. Казани и эксперимент, который продолжается и в настоящее время.
Показано, что радиотрассы, приходящие под разными углами от спутников ГНСС на пространственно разнесенные приемники позволяют решить обратную задачу восстановления высотной зависимости коэффициента преломления радиоволн с достаточно высокой точностью. На основе метода Тихонова был построен алгоритм решения этой задачи.
В качестве начального приближения использовались среднемноголетние высотные зависимости индекса рефракции дециметровых радиоволн для каждого сезона, полученные по радиозондовым данным. Минимизация функционала Тихонова проводилась при граничных условиях, также заданных данными эмпирической модели, разработанной нами.
Результаты эксперимента сравнивались с независимыми данными индекса рефракции, полученными по измерениям метеостанции и глобального NCEP/NCAR реанализа. Данные интерполированы для координат, соответствующих центру антенной системы. Полученные таким образом пространственные изменения индекса рефракции дециметровых радиоволн являются в этом исследовании опорными, и в отношении них проводится сравнение соответствующих оценок из спутниковых измерений.
Сделанные оценки высотной зависимости индекса рефракции дециметровых радиоволн показали, что они хорошо согласуются с данными численного моделирования : с использованием погодных полей. Это позволяет заключить, что такие оценки высотной зависимости индекса рефракции дециметровых радиоволн выступают непосредственной характеристикой тропосферы, пригодной для ее мониторинга. В этой связи, важным преимуществом вычисления высотных зависимостей индекса рефракции дециметровых радиоволн из фазовых сигналов спутниковых навигационных систем, является их оперативность и высокое временное разрешение. В сравнении с данными численных погодных полей NCEP/NCAR, имеющими шестичасовую дискретность и задержку во времени, спутниковые методы/позволяют получать интересуемый параметр с временным разрешением 30 мин.
Данное исследование позволяет повысить точность и временное разрешение при решении задач исследования тропосферы посредством приемников глобальных систем позиционирования. В четвертой главе обсуждаются экспериментальные результаты исследования высотных зависимостей индекса рефракции дециметровых радиоволн в тропосфере,;;; полученные по длительному циклу радиозондирования сетью приемников ГНСС в окрестности г. Казани. Также установлена их временная изменчивость. Высокая частота измерений позволяет получить высотные зависимости индекса рефракции дециметровых радиоволн, обусловленные суточной динамикой метеопараметров. Выявлено, что значения, полученные с помощью разработанного метода и рассчитанные по метеопараметрам вблизи поверхности Земли, имеют хорошую сходимость с учетом того, что в измерениях сети приемников СНС, кроме суточного хода, проявляются вариации внутрисуточные, обусловленные мезомасштабными или макротурбулентными процессами.
Экспериментально, по независимым данным, проверена динамика полученного суточного изменения индекса рефракции дециметровых радиоволн на различных высотных уровнях.
Длинные ряды экспериментальных данных индекса рефракции дециметровых радиоволн, полученных с помощью сети станций, позволили вычислить его среднесуточные вариации. При вычислении суточного хода из рядов индекса рефракции дециметровых радиоволн вычитались среднемесячные значения, и полученные ряды усреднялись методом наложения эпох для каждого часа суток.
Наиболее значимое сезонное изменение индекса рефракции дециметровых радиоволн отмечено в приземном слое. Минимум значений индекса рефракции в приземном слое достигается в апреле и равен 304 N-единиц, а максимум равный 340 N-единиц - в августе.
Проведено сопоставление синоптических вариаций профилей индекса рефракции, построенных с помощью радиозондовых данных и по данным сети приемников ГНСС. Показано, что эти высотные зависимости имеют малую среднеквадратическую ошибку (около 2%) относительно восстановленных высотных зависимостей индекса рефракции посредством радиоизмерений сети станций ГНСС. По всему периоду сравнения мы определили средние отклонения результатов пассивного зондирования индекса рефракции от измеренных аэрологическим способом, оно составило 0,2 N-ед в слое до 500 м и -1,4 N-ед на высотах 9500-10000 м, среднеквадратичное отклонение - 6,8 и 3,4 N-ед соответственно. Это составляет около 2 % от среднего значения для этих высот.
По длинным рядам метеопараметров за 1996 - 2003 гг. были сделаны оценки интенсивности вариаций индекса рефракции дециметровых радиоволн в приземном слое атмосферы.
Результаты сравнительного анализа амплитуд вариаций индекса рефракции следующие: амплитуда сезонных вариаций преобладает, хотя их средний вклад в дисперсию составляет 18,3 %; вторыми по интенсивности вариаций индекса рефракции, а значит и коэффициента преломления, являются суточные вариации; вклад синоптических вариаций несколько преобладает над внутрисуточными, но именно они дают наибольшую изменчивость индекса рефракции. Как и следовало ожидать, вариации коэффициента преломления радиоволн определяются как сезонными, так и синоптическими и мезомасштабными атмосферными процессами.
Таким образом, показано, что дистанционное зондирование тропосферы по сигналам ГНСС ГЛОНАСС и GPS, проведенные сетью приемников в г. Казани позволяют исследовать высотные изменения индекса рефракции, их сезонную, синоптическую, суточную и внутрисуточную динамику. Выявлены межсуточные вариации, мезомасштабная временная изменчивость.
Вертикальные профили индекса рефракции радиоволн в ионосфере
Как видно из рис. 2.16 ошибка определения дальности не превышает 5,8 м при угле места 1 градус. Доверительные интервалы очень малы и на графике не видны. Нам важно, что дисперсия ошибок определения дальности за счет влияния стратосферы при наземных измерениях невелика, поэтому мы можем использовать модельные профили индекса рефракции для стратосферы, как начальные приближения.
Так как индекс рефракции в ионосфере сильно зависит от частоты радиоволн, по эмпирическим моделям [76] были расчитаны профили индекса рефракции для разных условий для частоты 1575 МГц.
Показано, что ночью индекс рефракции минимален, т.к. отсутствует ионизация за счет солнечного излучения, и наоборот, максимальное значение наблюдается летним днём. По значениям индекса рефракции видно, что рефракция в ионосфере ниже, чем в тропосфере и стратосфере, т.к. искривление радиоволн связано только со степенью ионизированное. Расчеты проведены для средней солнечной активности.
Оценки ошибки определения дальности за счет рефракции в ионосфере, рассчитанные для частоты 1575 МГц составляют для угла склонения в 10 в пределах от 5 м (зима, ночь, низкая солнечная активность) до 65 м (лето, день, высокая солнечная активность). Для частоты 1242 МГц различие по ошибке определения дальности может увеличиваться на 80 %.
На практике часто ионосферные погрешности измерения дальности достигают для частоты 1575 МГц 80-100 м [16].
Кроме того ионосфера существенно неоднородна [7, 25]. На регулярную структуру ионосферы всегда наложены неоднородности, обусловленные различными возмущениями. Рассмотрим некоторые свойства ионосферных неоднородностей. Первое - это широтное распределение. Наибольшая возмущенность наблюдается в районе полярной шапки и в экваториальной области, что обусловлено неустойчивостью ионосферной токовой системы. Полярная оіапка также подвержена воздействию потоков заряженных частиц из магнитосферы и солнечного ветра. В средних широтах собственные внутриионосферные источники возмущений отсутствуют, так что неоднородности возникают лишь из-за внешних возмущений как сверху (из магнитосферы), так и снизу (со стороны нижней ионосферы). Распределение возмущений на умеренных широтах является неравномерным. Второе свойство ионосферных неоднородностей - суточный ход. Суточные изменения определяются геомагнитной широтой места. На умеренных широтах неоднородности выражены слабее днем. На высоких широтах возмущения обычно присутствуют в течение суток. Третье свойство -сезонные изменения, также зависят от широты места. На умеренных и переходных (к полярным) широтах летом возмущенность сильней, чем зимой. В полярном овале максимум возмущённое приходится на периоды равноденствия. К четвертому свойству относится высотное распределение. В среднем неоднородности расположены на высотах от 200 до 600 км. В качестве пятого свойства случайных неоднородностей ионосферы рассмотрим их движение. Скорость перемещения изменяется в пределах 30-300 м/с. На полярных широтах возможны скорости до 1 км/с. И шестое свойство - это распределение неоднородностей по размерам. Встречаются масштабы от нескольких метров до нескольких сотен километров. Мелкомасштабные неоднородности с поперечным размером от одного до нескольких метров характерны для полярных и экваториальных широт. Неоднородности от нескольких десятков до нескольких сотен метров выражены довольно слабо. Более крупные неоднородности встречаются на всех широтах, причем в направлении полярной шапки и экватора они усиливаются. Частотная зависимость ионосферной погрешности определения дальности позволяет исключать эту погрешность при использовании многочастотных радиотехнических устройств [14].
При использовании многочастотной аппаратуры существует возможность компенсировать погрешности измерения псевдодальности, обусловленные ионосферой, пользуясь зависимостью этих погрешностей от частоты несущей. Тропосферные погрешности не имеют выраженной частотной зависимости.
Значение величины плотности электронов, зависит от многих факторов: времени суток, сезона, солнечной активности, местоположения. К примеру, временная задержка ионосферы, для угла склонения в 5, может варьироваться в пределах от 20 до 140 не в зависимости от уровня активности Солнца [16, 25]. Согласно теории, / пропорционально квадрату длины волны несущей X", поэтому полученные для одной частоты значения могут быть легко пересчитаны для другой длины волны. При длине волны, равной 10 см и соответствующей частоте 3000 МГц, -j для вертикального луча может изменяться в пределах 0,2 -ь 2,3 м , можно считать, что только при А, 3 см влиянием ионосферы можно пренебречь.
Из описанных выше данных следует, что из-за изменчивости ионосферы вариации / велики, а теоретические расчёты ионосферного запаздывания радиоволн слабо достоверны. Поэтому в практике навигационных спутниковых измерений применяют двухчастотный метод исключения /. Рассмотрим принцип этого метода.
Сравнение решения с данными реанализа. Проверка адекватности решения обратных задач
Решить представленную задачу, используя измерения только за один момент времени, нельзя, так как число неизвестных больше, чем число уравнений. Поэтому мы составляем такие системы не менее чем для двухминутного интервала, что, соответствует 120 эпохам при дискретности данных в 1 секунду. Статистика увеличивается при решении для нескольких антенн. Функционал Тихонова, построенный согласно методике [37] оптимизируется методом градиентного спуска, методом покоординатного спуска или методом Левенберга— Марквардта. Все эти методы показали равные возможности при анализе устойчивости решений и их сходимости.
В ходе оптимизации программы выяснилось, что оптимальным количеством итераций является три. После того, как получены данные после трех итераций, решение проверяется на соответствие модели и выбирается наилучшее решение.
При решении мы учитывали эмпирические данные профилей индекса рефракции, полученные по радиозондовым данным за период 1997-2001 гг. В качестве начального приближения использовались среднемноголетние профили для каждого сезона, получение которых описано в главе 2. Минимизация функционала Тихонова проводилась в граничных условиях, также заданных данными эмпирической модели. Было установлено, что точность решения слабо зависит от начального приближения, подставляемого в ядро, но сильно зависит от параметра регуляризации. Обычно решение сходится к третьему шагу итерационного алгоритма.
При разработке методики мы учитывали точностные характеристики фазовых измерений. Модельные расчеты показали, что решение достигается даже при ошибках измерения фазы на порядок больших, чем в применяемой аппаратуре. Аналогичные методы использованы в работе [12], причем томография влажной части индекса рефракции требует больших точностей в
В модели задавался профиль индекса рефракции, сильно отличающийся от среднесезонного (более чем на 15 N - единиц). Строилась модель измерений спутниковых сигналов с учетом модельного профиля и уровнем шума, превышающего в 10 раз ошибки измерений. За начальное приближение принимался среднемноголетний профиль. Метод Тихонова показал, что даже при таких условиях решение устойчиво сходится к заданному (Рис. 3.2).
Далее мы покажем, что используя полученные эмпирические модели профилей индекса рефракции в тропосфере и высокоточные эфемериды для оценки расстояния от спутника до приемника, точность восстановления профилей индекса рефракции имеет абсолютную погрешность относительно метода реанализа не более 5 %.
Сравнение решения с данными реанализа. Проверка адекватности решения обратных задач Для того чтобы убедиться в том, что получаемая из уравнений оценка профиля индекса рефракции действительно характеризует состояние тропосферы, важным является сравнение ее со значением этой же величины, но полученной из данных трехмерных погодных полей NCEP/NCAR реанализа [10, 24, 27]. Они представляют собой пространственную сетку с горизонтальным разрешением в 2.5 по широте и долготе. Данные интерполированы для координат, соответствующих центру антенной системы (Рис.3.1). Полученные таким образом значения профилей индекса рефракции являются в этом исследовании опорными, и в отношении них проводится сравнение оценок соответствующих профилей из спутниковых измерений.
Для иллюстрации получаемых решений нами представлены примеры результатов в сравнении с профилями индекса рефракции, рассчитанными по данным реанализа [27] (Рис.3.3 - 3.5).
Видно, что для первого профиля (01.06.09, см. Рис. 3.3) до высот 10 км решение хорошо соответствует реальному профилю, причем, -76 полученные средние и среднеквадратичные отклонения очень малы. Второй пример (01.12.08, см. Рис. 3.4) также показывает совпадение профилей в пределах среднеквадратического отклонения. Совпадение можно объяснить тем, что данные реанализа сильно сглажены, как и усредненный профиль, полученный по данным сети приемников, охватывающих территорию 35x20 км. Третий пример (01.03.09, см. Рис. 3.5) демонстрирует хорошее совпадение решений и независимых данных только на высотах 500-3000 м. Однако, на поверхности Земли приведены расчеты индекса рефракции по данным метеостанции [57]. Очевидно отличное совпадение с измерениями метеостанции. Видимо, для этого момента времени локальные условия отличаются от усредненных моделей реанализа. По данным метеостанции было замечено, что в момент измерений действительно отмечено локальное повышение давления и понижение температуры, затем сменившееся обратным процессом. То есть, можно заключить, что решение обратной задачи по данным СНС точно отражают реальные условия (во всяком случае, вблизи поверхности Земли).
В данной главе рассмотрена созданная сеть наземных приемников сигналов глобальных спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS в г. Казани и эксперимент, который продолжается и в настоящее время.
Показано, что радиотрассы, приходящие под разными углами от спутников ГНСС на пространственно разнесенные приемники позволяют решить обратную задачу восстановления профиля индекса рефракции радиоволн с достаточно высокой точностью. На основе метода Тихонова был построен алгоритм решения этой задачи.
В качестве начального приближения использовались среднемноголетние профили для каждого сезона, получение которых описано в главе 2. Минимизация функционала Тихонова проводилась в граничных условиях, также заданных данными эмпирической модели.
Сделанные оценки профилей индекса рефракции показали, что они хорошо согласуются с данными численных погодных полей. Это позволяет заключить, что такие оценки профилей индекса рефракции выступают непосредственной характеристикой тропосферы, пригодной для ее мониторинга. В этой связи важным преимуществом вычисления профилей индекса рефракции из фазовых сигналов спутниковых навигационных систем является их оперативность и высокое временное разрешеїїие. В сравнении с данными численных погодных полей NCEP/NCAR, имеющими шестичасовую дискретность и задержку во времени, спутниковые методы позволяют получать интересуемый параметр практически непрерывно.
Синоптические и сезонные вариации профиля индекса рефракции радиоволн
Результаты сравнительного анализа амплитуд вариаций индекса рефракции следующие: Амплитуда сезонных вариаций преобладает, хотя средних вклад в дисперсию 18%. Вторыми по интенсивности индекса рефракции, а значит - и коэффициента преломления, являются суточные вариации. Интенсивность синоптических вариаций слабо преобладает над мезомасштабными, но именно они дают наибольшую изменчивость индекса рефракции. Как и следовало ожидать, вариации индекса рефракции дециметровых радиоволн определяются синоптическими, внутрисезонными и мезомасштабными атмосферными процессами. В работе [95] решались прямая и обратная задача рефракции миллиметровых волн в трехмерно-неоднородной атмосфере. Результаты свидетельствуют о том, что крупномасштабные неоднородности индекса рефракции дециметровых радиоволн оказывают заметное влияние на радиосигнал при распространении на приземных и космических трассах под малыми углами места. В работе [88] также показано влияние синоптических процессов на горизонтальную неоднородную структуру коэффициента преломления в приземном слое.
Из данных Таблицы 4.1 виден заметный вклад мезомасштабных вариаций в дисперсию индекса рефракции радиоволн. Их средний вклад в общую изменчивость индекса рефракции составляет 18,5 %, в основном в слое до 3 км от поверхности Земли.
Отметим, что такой полный анализ временных вариаций индекса рефракции по данным сети станций приемников ГНСС проведен впервые. На статистически надежном материале он показывает необходимость учета мезомасштабных вариаций, которые до сих пор никем не учитываются.
В задачах спутниковой геодезии и навигации следует учесть запаздывание радиоволн в тропосфере, вызывающее ошибки определения дальности. В работе [32] проведен детальный анализ систематического завышения дальности за счет тропосферы. Автор [32] считает, что правильный учет вертикальных профилей индекса рефракции радиоволн позволяет снизить ошибки определения дальности до 6 см.
В главе приведены экспериментальные результаты исследования временных вариаций профилей индекса рефракции в тропосфере, полученные по длительному циклу радиозондирования сетью приемников ГНСС в г. Казани. Показана их временная изменчивость.
Экспериментально по независимым данным проверена динамика полученного суточного хода индекса рефракции на различных высотных уровнях.
Проведено сопоставление синоптических вариаций профилей индекса рефракции, построенных с помощью радиозондовых данных и по данным сети приемников ГНСС. Показано, что эти профили имеют малую среднеквадратическую ошибку (около 2%) относительно восстановленных профилей индекса рефракции посредством радиоизмерений сети станций ГНСС.
Таким образом, показано, что дистанционное зондирование тропосферы по сигналам ГНСС ГЛОНАСС и GPS, проведенное сетью приемников в г. Казани позволяют исследовать высотные профили индекса рефракции, их сезонную, синоптическую, суточную и внутрисуточную динамику. Показано, что структура индекса рефракции обнаруживает как межсуточные вариации, так и мезомасштабную временную изменчивость.
1. Построены эмпирические модели высотных профилей индекса рефракции радиоволн в тропосфере для региона г. Казани. Установлено, что сезоны, имеющие наибольшие вариации - это осень и весна, ввиду нестабильности метеопараметров. Вариации индекса рефракции в приземном слое атмосферы в эти сезоны достигают до 40 N-ед, тогда как зимой не более 25 N-единиц, летом - до 35 единиц. Полученные модели использованы в качестве начальных приближений при решении задач дистанционного радиозондирования.
2. Проведен длительный (с 2007 по 2010 гг.) эксперимент по измерению характеристик радиосигналов спутников ГЛОНАСС и GPS сетью наземных приемников. Реализована методика рефрактометрического определения вертикальной структуры индекса рефракции радиоволн по измерениям сети приемников ГНСС. Путем сравнения с независимыми данными реанализа и радиозондирования показано, что сеть приемников достоверно отражает среднюю вертикальную структуру тропосферы. Относительная ошибка для высот до 2 км составляет менее 2 %
3. Исследованы сезонные, внутрисуточные, суточные и межсуточные вариации высотных профилей индекса рефракции дециметровых радиоволн на большом массиве радиоизмерений приемниками спутниковых навигационных систем. Сделаны оценки вклада в общую дисперсию индекса рефракции атмосферных процессов различного масштаба. Показано, что амплитуда сезонных вариаций преобладает, хотя их вклад в дисперсию составляет 18%. Вторыми по интенсивности являются суточные вариации. Синоптические вариации
