В виду того, что группировки спутников располагаются на высотах выше 400 км возможны задержки на пути распространения КА (космический аппарат) — АТ (абонентский терминал) и АТ (абонентский терминал) — КА (космический аппарат), вносимые средой распространения. Средой распространения на данной высоте является тропо – и ионо- сферы Земли. Именно они могут ввести задержки и изменить угол распространения сигнала.
На высотах до 100 км находится атмосфера. Она имеет такой же состав как и у поверхности Земли и состоит из молекулярного азота, молекулярного кислорода и других примесей.
Коэффициент преломления радиоволн в тропосфере и ионосфере мало отличается от единицы, и для упрощения и удобства лучше использовать приведенный коэффициент преломления N:
В тропосфере Земли N зависит от температуры, давления и влажности. Необходимо обратить внимание, что N не зависит от частоты для длин волн более 1 см. Для миллиметровых волн существенно сказываются потери, которые можно учесть путем введения комплексной диэлектрической проницаемости. В тропосфере давление и влажность изменяются по экспоненциальному закону, поэтому высотный профиль приведенного коэффициента преломления можно аппроксимировать экспонентой:
N0 – меняется в пределах , – в пределах . Приведенный коэффициент преломления на высоте 9 км всегда равен N = в любое время года на всем земном шаре.
Зависимость коэффициента преломления радиоволн от частоты и высоты в ионосфере:
Верхняя часть ионосферы может быть удовлетворительно вычислена экспоненциальной зависимостью:
,где — электронная концентрация в главном ионосферном максимуме, — высота главного максимума электронной концентрации, — параметр, характеризующий скорость убывания электронной концентрации при увеличении высоты. GRAM – Global Reference atmospheric model (GRAM-99) – инженерная модель атмосферы Земли. US76 – U.S. Standard Atmosphere.
Рисунок 1 – Путь прохождения сигнала от абонентского терминала до космического аппарата
Рисунок 2 – Зависимости давления, температуры и коэффициента преломления от высоты в километрах
η- угол направления на спутник от зенита, β – относительная широта размещения абонента.
Данные, представленные на рисунке 2 приведены для 21 марта 1980 года в 12:00, на 28° северной широты, 80° западной долготы.
Как видно на рисунке 2 и на рисунке 3 температура убывает с увеличением высоты, т.к.в этой области нагревание воздуха происходит за счет нагретой солнцем земли. Прекращением падения температуры характеризуется верхняя граница тропосферы, которая находится на высоте 10-15 км от уровня моря. Вплоть до высоты порядка 25 км температура остается постоянной (около 220К или -53°С). Затем температура вновь повышается, т.к. на высоте 50-60 км присутствует озон, который интенсивно поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца. На высоте порядка 500-600 км температура составляет 2000 – 3000 К (из-за излучения Солнца).
Рисунок 3 – Зависимость плотности частиц, давления, скорости звука и температуры от высоты в атмосфере
В ионосфере наиболее исследованной является внутренняя часть – в ней существует несколько неярко выраженных максимумов концентрации зарядов, условно называемых слоями.
Слой D появляется только в дневное время, а ночью ионизация на этих высотах почти полностью исчезает. Критическая частота слоя – 0.1 – 0.7 МГц.
Слой Е – является первым слоем, обнаруженным радиозондированием. Высота слоя мало меняется в зависимости от времени суток и времени года. Критическая частота меняется от 3-4МГц днем до 0.6 МГц ночью. Полутолщина слоя – 15-20 км. Основным ионизирующим фактором является ультрафиолетовое излучение Солнца.
Слой F – электронная плотность изменяется синхронно с высотой Солнца и максимум ионизации наблюдается ровно в полдень. В летние месяцы в дневные часы слой F расщепляется в два слоя. Критическая частота слоя F2 составляет 6 – 8.5 МГц, а критическая частота слоя F1 – 4 -6 МГц.
Рисунок 4 – Зависимость электронной плотности и группового коэффициента преломления от высоты в ионосфере
Причины высокой точности ГНСС GPS:
Ввиду задержек в ионосфере и тропосфере на диапазонах частот L1 и L2 ошибка расчета координат может составлять порядка 100-200 метров. Поэтому система учитывает данные задержки используя модели ионо- и тропо – сфер Земли. Причем коэффициенты данных моделей содержатся в составе навигационного сообщения.
Для корректировки тропосферных задержек используются модели:
- Биквадратная модель Хопфилда,
- Модифицированная модель Хопфилда,
- Модель Саастамойнена.
Для ионосферных задержек используется модель:
- Глобальная модель ионосферы Клобушара.
- Глобальные карты ТЕС
- Двухчастотный метод коррекции при использовании диапазонов L1 и L2
Список используемых источников:
- Грудинская Г.П. Распространение радиоволн
- Rachel Neville Thessin. Atmospheric Signal Delay Affecting GPS Measurements Made by Space Vehicles During Launch, Orbit and Reentry.Massachusetts Institute of Technology. June 2015
- О.И. Яковлев, В.П. Якубов, В.П. Урядов, А.Г. Павельев. Распространение радиоволн. М.: Ленанд, 2009
- Д.Г. Дымнов Разработка аппаратурных методов учета влияния тропосферы при спутниковых измерениях в геодезии, Московский государственный университет геодезии и картографии (МИИГАиК), Москва 2009.