TROPOSPHERE ZENIT DELAY ACCORDING TO GPS DATA OF ULAZ, IRKT AND BADG STATIONS

Full Text

Развитие радиофизических методов для глобального изучения радиоклимата и условий радиосвязи в атмосфере Земли с помощью высокостабильных сигналов спутниковых навигационных систем (ГЛОНАСС, GPS, GALILEO и других) является актуальным направлением междисциплинарной темы «Фундаментальные проблемы естественных и искусственных электромагнитных полей Земли». Дистанционное зондирование с использованием GPS и ГЛОНАСС радиосигналов позволяет определить характеристики тропосферы [1]. Возникающие из-за тропосферной рефракции погрешности в РСА данных ограничивают возможности радарной интерферометрии при высокоточных определениях геофизических и геометрических параметров [2]. Цель работы - проанализировать данные GPS станций ULAZ, IRKT и BADG, полученные за период с 1999 по 2011 гг. и показать возможности исследования тропосферы с помощью системы наземных GPS -ГЛОНАСС приемников, разнесенных в пространстве [3]. Совместно с ИЗК СО РАН проведен анализ данных GPS приемника ULAZ в части определения ТЗЗ за 1999-2010 гг. ТЗЗ является одной из наиболее существенных поправок, которые учитываются при высокоточных геодезических расчетах по GPS данным. Определяемая с помощью программного пакета GAMIT ТЗЗ отражает вариации различных атмосферных процессов. ТЗЗ является суммой «сухой» или гидростатической (ТГЗ) и «влажной» (ТВЗ) составляющих. ТЗЗ изменяется примерно от 6 до 8 нс по времени (1,9-2,4 м или 10-12 фазовых циклов на частоте L1 = 1575,42 МГц) в зависимости от метеоусловий и местоположения. При уменьшении угла возвышения α тропосферная задержка увеличивается как косеканс α этого угла, поэтому задержка на частоте L1 с углом α в 20° может достигать от 30 до 36 циклов. Тропосферная задержка определяется коэффициентом преломления тропосферы n « 1 + (ε -1) / 2 , где ε - диэлектрическая проницаемость воздуха. При этом восприимчивость k3 = ( ε - 1) смеси сухого воздуха и водяного пара подчиняется закону аддитивности, т. е. равна сумме восприимчивости отдельных газов смеси, пропорциональных их парциальным давлениям. Закону аддитивности соответствует и широко используемый в радиометеорологии индекс рефрак- ПП £\ 'Х П'Х 1 Г»6 ции [4] N = (n -1) ·105 = t p + 3-—2-e = Nt + Ne, где NT - индекс рефракции для сухого воздуха, зависящий от изменений температуры и давления воздуха, Ne - индекс рефракции для водяного пара, T - абсолютная температура, К; p - атмосферное давление, мбар; e - упругость водяного пара, мбар (1 мбар = 102 Н/м). Формула для N дает возможность определить индекс рефракции (коэффициент преломления), если известны температура, давление и упругость водяного пара в пункте приема GPS сигналов (рис.1). Для средних летних условий в г. Улан-Удэ T = 290 К; p = 950 мбар; e = 12 мбар. Для зимы T = 253 К; p = 965 мбар; e = 1 мбар. В районе г. Улан-Удэ в среднем у поверхности Земли n = 1,000 301 4 и N = 301,4. Из формулы для N следует, что ТЗЗ также является суммой «сухой» (ТГЗ) и «влажной» (ТВЗ) составляющих. Атмосферный водяной пар влияет на скорость распространения GPS сигналов. В целом «влажная» составляющая (ТВЗ) вносит значительно меньший вклад в ТЗЗ, особенно в зимний период. Ее вклад можно оценить отношением Ne / Nt которое изменяется для г. Улан-Удэ от 0,02 зимой до 0,24 летом. Следовательно, «сухая» задержка ТГЗ составляет определяющую часть ТЗЗ, но исследование ТВЗ очень перспективно в климатологии. Временные ряды ТЗЗ и атмосферного давления на станции ULAZ за 2005-2010 гг. с устойчивым годовым ходом показаны на рис. 2. Осенью, зимой и весной, когда сезонные параметры показателя преломления обладают значительной устойчивостью (особенно зимой), численные значения ТЗЗ имеют минимумы, примерно равные 2,2 м. Повышение давления зимой относительно лета составляет в среднем 20 мбар. При летнем уменьшении атмосферного давления всегда наблюдается увеличение ТЗЗ из-за относительно высокого влагосодержа-ния воздуха. Летнее увеличение ТЗЗ связано с увеличением атмосферного водяного пара над пунктом GPS измерений, т. е. с увеличением ТВЗ. Однако в целом ТВЗ вносит значительно меньший вклад в ТЗЗ, особенно зимой. Если принять среднее значение ТГЗ равным 2,2 м, то добавка за счет ТВЗ в летнее время 157 Раздел 2. Радиофизические методы диагностики окружающей среды. Алгоритмы, инструменты и результаты і а ш w v w να vm ίχ χ Xf ха ι б V Vll JX Xi в i и m « v V! m т/х л /t χιι г Рис. 1. Годовой ход: а - температуры; б - влажности; в - атмосферного давления по данным станций Гидрометслужбы Республики Бурятия (1 - ст. Улан-Удэ; 2 - ст. Баргузин; 3 - ст. Усть-Баргузин); г - Nt и Ne по месяцам для г. Улан-Удэ Рис. 2. Временные ряды тропосферной зенитной задержки (а) и приземного атмосферного давления (б) на станции ULAZ за 2005-2010 гг. а Рис. 3. Годовой ход ТЗЗ GPS станции ULAZ за 1999-2010 гг. Вестник СибГАУ. N 5 (51). 2013 Рис. 4. Сравнение годового хода ТВЗ для GPS станций ULAZ, IRKT и BADG за 2011 г. составит 0,2-0,27 м, т. е. не превышает (8-12) % от ТГЗ. Ряд ТЗЗ с июля 1999 г. по декабрь 2010 г. приведен на рис. 3. Сравнение ТВЗ для GPS станций ULAZ, IRKT и BADG за 2011 г. представлено на рис. 4. Отчетливо видна высокая степень корреляции ТВЗ между тремя станциями, разнесенными в пространстве до 230 км. Таким образом, для GPS станции ULAZ на 11-летнем интервале времени определена ТЗЗ, которая изменялась в пределах 2,1-2,47 м. «Влажная» (ТВЗ) составляющая достигает 0,27 м и определяется содержанием водяного пара в тропосфере. Многолетний ход ТВЗ характеризует климатические явления в регионе. Полученные результаты позволяют построить региональную пространственно-временную модель ТЗЗ и определить вариации трехмерных полей содержания водяного пара с помощью сетей наземных GPS приемников [3].

About the authors

Yu. B. Bashkuev

Institute of Physical Materials Sciences of the Russian Academy of Sciences, Siberian Branch

6 Sakhyanova st., Ulan-Ude, 670047, Russia

M. G. Dembelov

Institute of Physical Materials Sciences of the Russian Academy of Sciences, Siberian Branch

Email: mdembelov@yandex.ru
6 Sakhyanova st., Ulan-Ude, 670047, Russia

A. V. Loukhnev

Institute of the Earth’s Crust of Siberian Branch Russian Academy of Sciences

12 Lermontov st., Irkutsk, 664033, Russia

V. A. Sankov

Institute of the Earth’s Crust of Siberian Branch Russian Academy of Sciences

12 Lermontov st., Irkutsk, 664033, Russia

References

Supplementary files