Спосіб визначення горизонтальних градієнтів рефракції атмосфери

Спосіб визначення горизонтальних градієнтів рефракції атмосфери, який оснований на виборі пунктів спостереження, що розміщені у напрямі розповсюдження електромагнітної хвилі або променя із опорного пункту спостереження при відповідній величині зенітної відстані, який відрізняє ться тим, що проводять спостереження із опорного пункту спостереження A на зенітній відстані спостереження z = 85-89° і визначають висоту атмосфери H , на якій проходить імпульс над опорним пунктом спостереження A та над суміжним пунктом B спостереження за формулою: (R + h1 ) × sinz H= - (R + h 2 ), sin(z - a ) де R - радіус Землі, h1 - висота опорного пункту спостереження Винахід відноситься до астрономії, а саме до способів визначення впливу атмосфери на точність віддалемірних спостережень штучних суп утників землі (ШСЗ) і може бути використаний для визначення точних координат пунктів спостереження у топографії, геодезії, картографії, будівництві. Відомий спосіб визначення горизонтальних градієнтів рефракції атмосфери розроблений Гарднером [1], полягає у тому, що для дослідження градієнтів рефракції і їх е фектів необхідно мати дані синхронних аерологічних зондувань атмосфери не менше ніж у трьох пунктах, розміщених в межах кола з радіусом 150 200 км навколо основного пункту спостереження [1,2]. Недоліком відомого способу є мала кількість дат і пунктів синхронних спостережень, а також малий діапазон можливих базових відстаней між опорними пунктами (150-200км). Оскільки, для великих зенітних відстаней (85°-89°) радіохвиля проходить в атмосфері відстань понад 800км, то необхідно проводити врахування значення горизонтальних градієнтів рефракції (N) для різних масштабів, а саме від 20-40км до 600-800км. Атмосфера є нестабільним середовищем і тому, для дослідження горизонтальних градієнтів рефракції потрібно враховувати реальні значення N у напрямі поширення електромагнітної хвилі. A над рівнем моря, h2 - висота суміжного пункту В над рівнем моря, z - зенітна відстань спостереження, α - геоцентричний кут, який утворюється пунктами спостереження AOB , де O - центр Землі, при цьому кут a визначають за формулою: é cos 2 j1 + cos 2 j 2 - sin 2 (j1 - j 2 ) ù Dl a = arccos ê - 2 sin 2 cos j1 × cos j2 ú , 2 cos j1 × cos j2 2 ê ú ë û де j 1 - географічна широта опорного пункту, C2 - географічна широта суміжного пункту, (19) UA (11) 82263 Dl - значення різниці географічних широт між опорним A і суміжним B пунктами, після чого визначають реальне значення індексу рефракції атмосфери N за аерологічними даними атмосфери і величину горизонтальних градієнтів рефракції атмосфери. (13) j2 3 82263 При встановленні відхилення реального стану атмосфери від сферично-симетричної моделі, тобто існування горизонтальних градієнтів рефракції в напрямі меридіану та паралелі використовуються середньостатистичні значення N у даних напрямах на різних висотах в атмосфері, в той час як врахування реального стану атмосфери в даний момент спостереження повинно збільшити точність замірів. Найближчим до запропонованого способу визначення горизонтальних градієнтів рефракції є спосіб Гарднера, який був розвинутий у роботах Девіса [3]. Цей спосіб полягає у тому, що вибір пунктів спостереження, що розміщені у довільному порядку дозволяє встановити азимутальну асиметрію у загальному і дає свій внесок у поправку -10 см на зенітній відстані (z) - 85°, але в деяких випадках вона може бути набагато більшою. Девіс встановив, що денні середні градієнти рефракції можуть складати 5см затримки на z=83° [3]. Завдання винаходу полягає в тому, щоб врахувати умови реальної атмосфери, яка, насправді, не є сферично-симетричною, що впливає на визначення відстані до ШСЗ і набуває особливого значення в теперішній час, коли апаратура по визначенню відстані до ШСЗ дає точність 0,5см. Таким чином постає проблема необхідності більш точного врахування впливу атмосфери на визначення відстані до ШСЗ. Поставлене завдання досягається таким чином, що спосіб визначення горизонтальних градієнтів рефракції атмосфери, який оснований на виборі пунктів спостереження, що розміщені у напрямі розповсюдження електромагнітної хвилі, або променю із опорного пункту спостереження при відповідній величині зенітної відстані, який відрізняється тим, що проводять спостереження із опорного пункту спостереження А на зенітній відстані спостереження z дорівнює 85-89°, і визначають висоту атмосфери Н, на якій проходить імпульс над суміжним пунктом спостереження за формулою: (R + h1 ) × sinz H= - (R + h 2 ), sin(z - a ) де R - радіус Землі; h1 - висота опорного пункту над рівнем моря; h2 - висота суміжного пункту над рівнем моря; z - зенітна відстань спостереження; a - геоцентричний кут між пунктами А і В (фіг. 1), який утворюється пунктами спостереження АОВ, де О - центр Землі. Кут a визначають за формулою: é cos2 j + cos2 j - sin2 (j - j ) ù 1 2 1 2 - 2 sin2 Dl cosj × cos j , a = arccosê 1 2ú 2cos j1 × cos j2 2 ê ú ë û де j 1 - географічна широта опорного пункту; j 2 - географічна широта суміжного пункту; Dl значення різниці географічних широт між опорним і суміжним пунктами. За відомим кутом a знаходиться реальне значення індексу рефракції атмосфери N за аерологічними даними атмосфери, що дозволяє встановити величину горизонтальних градієнтів рефракції атмосфери. 4 Переваги запропонованого способу полягають у тому, що відхилення реального стану атмосфери від сферично-симетричної моделі визначається на основі великої кількості синхронних даних спостереження та для різних діапазонів базових відстаней між опорним і суміжними пунктами спостереження на основі реальних значень N, що знаходяться за миттєвими значеннями метеопараметрів. Виберемо пункти спостереження, що характеризуються параметрами j , l , де j географічна широта пункту; l - географічна довгота пункту: A( j , l ) і В( j , l ). Необхідні спостереження проводяться з пункту A( j , l ) в напрямі пункту В і знаходять, що електромагнітна хвиля над пунктом В пройде на висоті атмосфери Н (див. фіг. 1). Якщо наявні синхронні дані аерологічних зондувань на один і той же момент спостереження для цих двох пунктів, то обчислюємо показник заломлення N в пунктах А і В на висоті Н. При їх порівнянні знайдемо DNA -B = NA - NB і якщо DN ¹ 0 , то атмосфера Землі не є сферичносиметричною, тобто на одній і тій же висоті атмосфери значення N над різними пунктами різні. Спосіб здійснюють наступним чином: для встановлення впливу на значення горизонтальних градієнтів рефракції відхилення від сферичносиметричної моделі реальної атмосфери проводять спостереження із пункту А на z=85-89° і визначають висоту атмосфери Н на якій буде проходити імпульс над суміжним пунктом, за наступною схемою. Точка А це опорний пункт, в точці В знаходиться суміжний пункт (фіг. 1). Розглянемо трикутник АОС і позначимо ÐAOC a, , тоді ÐCAO = 180o - z. Відомо, що = зовнішній кут трикутника дорівнює сумі двох внутрішніх несуміжних з ним: z = a + С, де Ð C = z - a . Для довільного трикутника за теоремою синусів: a b c = = . sinA sinB sinC OC OA = , sin( 180 - z) sin(z - a) Тоді де О - положення центру Землі. 180 - z) OA × sin(180 - z) (R1 + h1 ) sin( OC = = , sin(z - a ) sin(z - a ) де R1 - радіус Землі в точці A; h 1 - висота точки А над рівнем моря. ОС=(R2+h1)+H; Н=ОС-(R2+h2), R2 - радіус Землі в точці В над рівнем моря; h2 - висота точки В над рівнем моря. (R + h1 ) sin(180 - z) H= 1 - (R2 + h 2 ), sin(z - a ) (R + h1 ) sin H= 1 - (R2 + h 2 ). sin(z - a ) i 5 82263 Приймемо, що R1=R2=R. Для знаходження висоти Н проходження імпульсу над суміжним пунктом потрібно знайти кут a: 2 cosa = æ R ö æ R ç ÷ +ç ç cos j ÷ ç cosj è 1ø è 2 2 ö Dl æ ö ÷ - R 2 ç 4 sin 2 + ( tgj 2 - tgj1 ) 2 ÷ ÷ 2 è ø ø 2 2 R cosj1 cosj 2 отже: é cos 2 j1 + cos 2 j 2 - sin 2 (j1 - j 2 ) ù Dl a = arccos ê - 2 sin 2 cos j1 × cos j2 ú . 2 cos j1 × cos j2 2 ê ú ë û За кутом a, встановлюється висота атмосфери при проходженні променя над суміжним пунктом, на якій визначають реальне значення N, що, в свою чергу, дозволяє встановити величину горизонтальних градієнтів рефракції. Приклад конкретного використання. Потрібно із пунктів аерологічного зондування атмосфери вибрати як можна більше пунктів спостереження (не менше трьох), які лежать на одній прямій у напрямі розповсюдження електромагнітної хвилі із певного опорного пункту. Відстань між цими пунктами повинна бути якнайменша для того, щоб на розрахованих висотах Н можна було б знайти індекси рефракції і відповідну різницю індексів (DN) за реальними значеннями метеорологічних параметрів. Аерологічне зондування атмосфери проводиться, як правило, до висоти 25-30км. Із станцій аерологічного зондування атмосфери вибрано сім пар пунктів так, щоб на одній прямій знаходилось по три пункти і обчислюється висота проходження електромагнітної хвилі над суміжними пунктами при z=88,89°, маючи аерологічні дані зондувань атмосфери (тиск, температура, відносна вологість) над опорними і суміжними пунктами. На 2002 рік з 7 по 14 червня і час: 00(UT), 06(UT), 12(UT), 18(UT), де UT - всесвітній час, знаходимо показник заломлення N на висотах проходження електромагнітної хвилі над суміжними пунктами. Так наприклад: опорний пункт Idar, а суміжний Stuttgart, Munchen. При посиланні електромагнітної хвилі з опорного пункту Munchen на Z=88 імпульс над пунктом Stuttgart пройде на висоті Hsfuugart=8,078км, а над пунктом Munchen на висоті HMunchen=21,656км. При цьому DN=NIdarNStuttgart, на H=8,078км лежить у межах від 0,6 Nодиниць до 13,7 N-одиниць; a DN= NIdar-NMunchen, на Н=21,656, лежить в межах від 0,6 - N-одиниць до 2,7 N-одиниць для різних дат і часів (UT). Для інших пар пунктів результати аналогічні, причому, чим менше висота проходження променю над суміжним пунктом, тим більше значення DN. Таким чином, при даних вимогах до точності врахування впливу атмосфери на віддалемірні спостереження ШСЗ потрібно враховувати відхилення реальної атмосфери від сферично-симетричної моделі. Техніко-економічна ефективність. Спосіб визначення горизонтальних градієнтів рефракції дозволяє зменшити похибку впливу атмосфери на віддалемірні спостереження ШСЗ, що використовуються для визначення точних , 6 координат пунктів спостереження у топографії, геодезії, картографії, будівництві. Очікуваний економічний ефект за оцінюваними даними перевищує 500 тис. гривень в рік. Джерела інформації 1. Gardner C.S. Effects of horizontal refractivity gradients on the accuracy oflase ranging to satellites/Radio Science. - 1976. Vol. 11, N. 12, P. 1037-1044 - прототип. 2. Миронов М.Т., Емец А.Н. Ре фракция атмосферы при лазерных наблюдениях ШСЗ. - К: Препринт ГАО УАН, 1993. - 12 с. 3. Davis J.L., Langley R.B. Estimating the residual tropospheric delay for airborne differential GPS positioning. 10-th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, Kansas City, USA, September 16-19, 1997. -1998.