Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Дослідження впливу атмосфери на роботу супутникового приймача

Зміст

Вступ

В останні роки зусилля великої кількості дослідників різних країн спрямовані на підвищення точності вимірювань, що здійснюються з використанням глобальних навігаційних супутникових систем (ГНСС). До подібних систем відносяться, зокрема, розроблена в США GPS, російська ГЛОНАСС і розробка країн ЄС – GALILEO. Інтерес до проблеми точності ГНСС вимірювань пояснюється широким застосуванням таких систем в геодезії, геофізики, навігації, при моніторингу навколишнього середовища, в метрології і фундаментальних дослідженнях.

Одним з основних факторів, що обмежують точність ГНСС вимірювань, є вплив земної атмосфери на характеристики поширення сигналів ГНСС. Головними джерелами похибки вимірювання в даному випадку виявляються додаткова затримка сигналу в атмосфері і рефракційне викривлення траєкторії, по якій він поширюється.

На процес і результати вимірювань атмосфера впливає за допомогою наступних чинників. Загасання сигналу (поглинання енергії хвилі в атмосфері) обмежує дальність дії і іноді взагалі не дозволяє виконувати вимірювання. Зміна швидкості поширення електромагнітної хвилі збільшує оптичну (електричну) довжину пройденого шляху в порівнянні з його геометричною довжиною. Фактори впливають на результат вимірювання, а точність обліку цих факторів впливає, на точність кінцевого результату. Сучасні геодезичні прилади мають дуже високу точність, тому помилка у визначенні відстані (дальності) в кінцевому рахунку, залежить від точності обліку впливу атмосфери. [1]

Мал.1 – Будова атмосфери

1. Актуальність теми

Актуальність дослідження визначається стрімким розвитком сучасних супутникових систем. З'явившись більше чотирьох десятків років тому глобальні навігаційні супутникові системи (ГНСС) поступово проникли в багато області людської діяльності. У міру їх розвитку та появи все більшої відкритості для широкого кола споживачів, завдання, які вирішуються ГНСС вийшли далеко за рамки здійснення навігаційного забезпечення.

Вплив атмосфери на вимірювальний процес знижує точність всіх видів геодезичних вимірювань. Рішення на сучасному науково–технічному рівні проблеми методики обліку і ослаблення впливу атмосфери залишається постійно актуальною і є одним з основних шляхів підвищення точності результатів геодезичних спостережень.

2. Мета і завдання дослідження

Мета:оцінка впливу атмосферних затримок на роботу супутникового приймача на території Донецької області.

Завдання:

  1. Оцінити величину впливу атмосфери на роботу супутникового приймача.
  2. Розробка рекомендацій з обліку тропосферного рефракції.

Ідея: перевірити можливість використання супутникового приймача при різних метеорологічних умовах.

Об'єкт: похибки, що виникають під час роботи з супутниковим приймачем.

Предмет: атмосфера як джерело похибок.

Методика дослідження.

При виконанні роботи будуть використані наступні методи:

  1. Аналіз існуючих досліджень з даного питання з метою перейняти отриманий досвід.
  2. Синтез. Вивчивши і проаналізувавши різні роботи, необхідно синтезувати отриманий досвід для розробки принципів обліку впливу атмосфери на території Донецької області.

3. Вплив зовнішнього середовища на результати вимірювань

На шляху від супутника до приймального пристрою на Землі радіосигнал зазнає обурення в іоносфері, нижніх шарах атмосфери, особливо в тропосфері, а також поблизу поверхні Землі.

3.1 Вплив іоносфери

Іоносфера, що тягнеться від висоти близько 50 км до приблизно 1 000 км над Землею, є областю іонізованих газів (вільних електронів та іонів). Іонізація викликається сонячною радіацією, і стан іоносфери визначається переважно інтенсивністю сонячної активності. Іоносфера складається з шарів на різних висотах, кожен зі своїми швидкостями освіти і втрати вільних електронів (мал. 2).

Мал.2 – Кількість електронів на висоту

Концентрація електронів залежить від кута піднесення супутника, географічного розташування, часу доби, року і активності Сонця. У середніх широтах спотворення днем можуть досягати десятків метрів, вночі – на порядок менше. Для конкретного сеансу вимірювань [2] іоносферні похибки є медленноменяющіміся і сільнокоррелірованнимі.

У вимірювання, виконані на одній частоті, вносять • поправки за спотворення в іоносфері. З цією метою в навігаційному повідомленні містяться параметри моделі іоносфери. Однак компенсація фактичної затримки в кращому випадку становить лише 50%. Величина некомпенсованою затримки може спотворювати псевдодальності до 10 м.

3.2 Вплив тропосфери

Нейтральна атмосфера (тропосфера, тропопауза і стратосфера) є недіспергирующего середовищем. Про її вплив говорять як про тропосферного рефракції, яка не залежить від частоти і, отже, впливає і на кодову модуляцію, і на фазу несучої однаковим чином. Вплив представляє затримку [2], яка досягає 2.0 – 2.5 м в зенітному напрямку і збільшується приблизно пропорційно косеканс кута висоти, досягаючи 20 – 28 м на висоті 5 °. Виміряні дальності виявляються довший, ніж геометричне відстань між приймачем і супутником. Затримка залежить від температури, вологості і тиску, змінюється з висотою користувача і з типом місцевості під траєкторією сигналу. Через те, що тропосферний рефракція не залежить від частоти несучої, її неможливо усувати в двочастотних спостереженнях, на відміну від іоносферної рефракції.

Анімація 1 – Приклад неякісного прийому сигналів від супутників в умовах міської території [8]
(Розмір 14.6 КБ, 7 кадрів, количесво повторень – 10, частота повторень 0.5с)

3.3 Атмосферні поля температури, тиску і вологості

Поле температури. Температурне поле атмосфери навіть на значних висотах над поверхнею Землі визначається її зворотним випромінюванням через нагрівання Сонцем протягом доби. При цьому велике значення має рельєф, час дня і року, погода і характер покриву поверхні.

Товщина шару повітря, схильного до впливу поверхні Землі, досягає декількох сотень метрів. Розташовані над ним повітряні прошарки в меншій мірі схильні до коливань температури, і ступінь цих коливань зменшується з висотою.

Розташування температурних шарів поблизу поверхні по–різному вдень і вночі. Вдень, навіть при суцільній хмарності, воно визначається сонячним і відбитим випромінюванням. Сонячна енергія проходить крізь товщу повітря, лише частково її поглинає, і нагріває Землю. Земля віддає тепло приземного шару, повільно остигаючи. Так само вона частково відображає випромінювання Сонця в довгохвильовій частині інфрачервоного діапазону, що поглинається парами води і вуглекислим газом повітря. За рахунок турбулентних процесів обміну (конвекції) це тепло передається розташованим вище верствам.

Уявлення про будову температурного поля атмосфери в залежності від часу доби дає деяку схематичну модель [4]. Насправді, процеси, що відбуваються в атмосфері, значно складніше через різноманіття місцевих впливів і впливу часу. Температурне поле атмосфери неоднорідний і має нерегулярну область.

Поле тиску. Розподіл тиску повітря в просторі, що охоплюється вимірами, можна розглядати як закономірне і однорідне, тобто поверхні рівного тиску розташовуються майже горизонтально. Падіння тиску в горизонтальній площині при нормальній погоді в напрямку максимуму становить [2] в середньому 1 мбар на 100–500 км. Періодичне добові коливання, викликані впливом Сонця, складають в середніх широтах десяті частки міллібарах. Те ж саме відноситься до місцевих змін тиску, що виникають при наявності вітру.

Пари води в атмосфері. Присутність парів води в атмосфері забезпечується двома джерелами. Основна частина парів утворюється при випаровуванні з поверхні морів і океанів, потрапляючи в область, розташовані над сушею. Інша частина з'являється за рахунок випаровування на суші – з поверхні внутрішніх водойм, за рахунок вологості грунту і рослин. Випаровування відбувається при будь–якій погоді і температурі, але збільшується при підвищенні температури і швидкості вітру. Пари води в атмосфері поширюються за рахунок дифузії і вітру [5].

У зв'язку з добовими коливаннями температури і викликаними цим рухами повітря, розташованого безпосередньо над поверхнею Землі, виникають періодичні коливання вологості, амплітуда яких залежить від місцевих умов.

Зміст в повітрі парів обмежена температурою повітря. Кожній температурі відповідає певний максимальний вміст водяної пари в повітрі.

3.4 Багатопроменевими (багатоколійних).

До антени приходять радіопромені безпосередньо від супутника, а також радіопромені, обігнув внаслідок дифракції дрібні предмети, і відбиті від земної поверхні, будівель та інших об'єктів місцевості. Многолучевость веде до спотворення діяльностей.

Сигнали можуть відображатися при супутнику (супутникова багатоколійній) або в околицях приймача (многоутность приймача). Супутникова багатоколійній, швидше за все, виключається на коротких базових лініях в одинарних різницях спостережень. Відбитий сигнал завжди слабкіше, через втрату енергії на відбивачі. Це загасання залежить від матеріалу відбивача, кута падіння і поляризації [1]. Відображення на дуже малих кутах падіння практично не має загасання. Саме тому на малих висотах відбуваються сильні перешкоди через багатоколійність.

4. Інструментальні помилки приймача і антени

4.1 Шуми в приймальнику

Тепловий шум в апаратурі створює шум в даних, отриманих при вимірюваннях. Шум в приймальнику може бути теоретично обчислений за коефіцієнтом посилення антени, потужності сигналів супутників і температурним шумовим характеристикам приймача і навколишнього його середовища. Шум даних залежить [3] від висоти топоцентрические направлення на супутник, оскільки від цього змінюються коефіцієнт посилення в антені і втрати в силі сигналу через ослаблення в атмосфері Землі, а також від часу усереднення в приймальнику. Ця специфічна помилка не впливає на геодезичні вимірювання, оскільки виключається в подвійних різницях, але вона повинна ретельно досліджуватися і враховуватися при вимірах ионосферной затримки.

4.2 Вплив помилок часу

Основна частина помилок годинника приймача і супутника виключається при формуванні подвійних різниць або при оцінюванні поправки годин, змінюються за випадковим законом. У той же час, є залежність геодезичних вимірювань, від дійсного часу в яке проводилися вимірювання, через нелінійність геодезичної задачі визначення координат. Загальний вплив помилки такого типу мало, за винятком випадків, коли приймач неправильно дозволяє мілісекунди неоднозначність C / A–кодових псевдодальностей [3], при яких стає майже неможливо визначити, де було зроблено вимір. Помилка повинна усуватися в приймальнику на стадії первинної обробки сигналу, коли ще є можливість повторити вимірювання в поле.

4.3 Нестабільність локального генератора, перехресні наведення, міжканального зрушення, дрейф і шум квантування

Перехресні наведення, дрейф і шуми квантування залежать, в першу чергу, від якості виготовлення апаратури, і спостерігач не має можливості активно впливати на рівень цих впливів. Нестабільність локального генератора може бути зменшена освітою нормальних місць із серії спостережень між окремими епохами і утворенням подвійних різниць в процесі вирішення базових ліній. Вплив міжканальних зрушень залежить від частоти сигналу і тому особливо серйозно для апаратури, яка працює одночасно по системам GPS і ГЛОНАСС [6].

4.4 Тестування приймача

Загалом, GPS приймачі вважаються Самокалібрующійся пристроями, і користувачі не виконують калібрування обладнання. Єдиний простий тест, який може виконуватися спостерігачем, це нульова базова лінія. Це вимір робиться, коли два або більше приймачів приєднуються до однієї антени. Щоб направити вхідний сигнал на різні приймачі, необхідно використовувати перехідник. При цьому потрібно подбати про те, щоб заблокувати живить антену напруга від всіх приймачів, крім одного.

4.5 Зміна фазового центру антени

Фазовий або електричний центр – це точка антени, в якій збігаються однакові фазові фронти прийшли радіосигналів. Саме від неї приймач проводить вимірювання відстаней до супутників. Але фазовий центр не є фізичною точкою, від якої геодезисту можна було б оцінювати видалення від марки центру пункту. Його положення є функцією напряму, з якого антена приймає сигнал. Середнє положення фазового центру визначається щодо деякої опорної точки антени, а положення цієї точки відносно марки геодезичного пункту вимірюється в процесі спостережень.

Розроблено два види калібрувань [3]: абсолютні і відносні. В абсолютних калібрування параметри антени виводяться з спостережень радіоджерел з відомим положенням, в відносних калібрування параметри антени виходять зі спостережень відомої базової лінії двома антенами, з яких одна приймається за опорну.

Як висновок розділю помилки, які виникають під час роботи з супутниковим приймачем на наступні групи:

  1. помилки, пов'язані з неточністю знання вихідних даних, з яких визначальна роль належить погрішностей знання ефемерид супутників, значення яких повинні бути відомі на момент вимірювань;
  2. помилки, обумовлені впливом зовнішнього середовища, серед яких виділяють такі джерела, як вплив атмосфери (іоносфери і тропосфери) на результати супутникових вимірів, а також відображених від навколишніх об'єктів радіосигналів (багатоколійних);
  3. інструментальні джерела помилок, до яких, як правило, відносять неточність знання положення фазового центру антени приймача, невраховані тимчасові затримки при проходженні інформаційних сигналів через апаратуру, а також похибки, пов'язані з роботою реєструючих пристроїв супутникових приймачів.

Висновок

По ходу виконання роботи були досліджені моделі, що визначають іоносферну і тропосферних затримки.

За результатами виконання магістерської роботи хотілося б прояснити, на скільки великий вплив атмосфери на роботу супутникового приймача на території Донецької області чи можна цим нехтувати і в яких випадках. Також очікується знаходження відповідного методу обліку впливу атмосфери для території Донецької області.

Джерела

  1. Серапинас Б.Б. Глобальные системы позиционирования/ Б.Б. Серапинас // Спутниковые технологии – 2002. –106 с.
  2. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии (том2)/ К.М. Антонович // Геодезия – 2006. – 311 с.
  3. Классификация источников ошибок спутниковых измерений [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.gps–chel.ru/gps–help/139/
  4. Антонович К.М. Тропосферная задержка при ГНСС измерениях // Геодезия и аэрофотосъемка. – 2012. – №1/2.
  5. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии (том1) / К.М. Антонович//Геодезия – 2005. – 334 с.
  6. Антонович К.М., Фролова Е.К. Совместное использование метеоданных наземных и аэрологических наблюдений при обработке спутниковых измерений // Вестник СГГА. – 2003. – №8.
  7. Большая советская энциклопедия : Ионосфера[Электронный ресурс] –Режим доступа: http://www.worklib.ru/dic/Ионосфера/
  8. Соколов В.И. Исследование влияния качества приёма радиосигналов на точность дифференциальных GPS–измерений при коротких базах [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://masters.donntu.ru/2007/ggeo/sokolov/diss/index.htm