Тропосферные и ионосферные задержки

On 21.01.2016 by nikellanjilo

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:

5

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:

1

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:

2

Верхняя часть ионосферы может быть удовлетворительно вычислена экспоненциальной зависимостью:

3

,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.

4

Рисунок 1 – Путь прохождения сигнала от абонентского терминала до космического аппарата

6

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).

7

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.

8

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:

  1. Биквадратная модель Хопфилда,
  2. Модифицированная модель Хопфилда,
  3. Модель Саастамойнена.

Для ионосферных задержек используется модель:

  1. Глобальная модель ионосферы Клобушара.
  2. Глобальные карты ТЕС
  3. Двухчастотный метод коррекции при использовании диапазонов L1 и L2

Список используемых источников:

  1. Грудинская Г.П. Распространение радиоволн
  2. Rachel Neville Thessin. Atmospheric Signal Delay Affecting GPS Measurements Made by Space Vehicles During Launch, Orbit and Reentry.Massachusetts Institute of Technology. June 2015
  1. О.И. Яковлев, В.П. Якубов, В.П. Урядов, А.Г. Павельев. Распространение радиоволн. М.: Ленанд, 2009
  2. Д.Г. Дымнов Разработка аппаратурных методов учета влияния тропосферы при спутниковых измерениях в геодезии, Московский государственный университет геодезии и картографии (МИИГАиК), Москва 2009.

Добавить комментарий