КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОГО СОДЕРЖАНИЯ ВОДЯНОГО ПАРА В АТМОСФЕРЕ ПО СИГНАЛАМ ГЛОБАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ

Настоящая полезная модель относится к области радиофизики и может быть использована для метеорологических измерений, в частности, измерения интегрального содержания водяного пара в атмосфере.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство [1], содержащее двухчастотный приемник сигналов Глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), соединенный с вычислительным устройством для расчета по величине задержек сигналов ГНСС интегрального содержания водяного пара (ИСВП), к которому подключена метеорологическая станция, измеряющая давление, влажность и температуру в месте установки комплекса.
Вычислительное устройство осуществляет расчет ИСВП по данным измерений задержки фазы сигналов ГНСС в соответствии со следующим алгоритмом [2]:
1. Определение псевдодальности
По данным навигационных наблюдений для каждого спутника определяется свободная от ионосферной задержки псевдодальность (т.н. свободная от влияния ионосферы линейная комбинация первого порядка), определяющая расстояние, пройденное навигационным сигналом от центра фаз антенны спутника до центра фаз наземного приемника навигационных сигналов:
2. Определение расстояния до спутника
Для определения расстояния до спутника на момент излучения навигационного радиосигнала, зарегистрированного приемником в момент приема рассчитываются координаты спутника по его эфемеридам.
3. Расчет гидростатической задержки радиосигнала
Гидростатическая задержка радиосигнала при вертикальном распространении (зенитная гидростатическая задержка) определяется по модели Саастимойнена по данным метеостанции (температура, давление влажность), расположенной в месте проведения градусов зенитная гидростатическая задержка умножается на отображающую функцию, зависящую от угла места навигационного спутника.
4. Определение интегрального содержания водяного пара
2
Из общей задержки радиосигнала вычитается ионосферная и гидростатическая задержки. По оставшейся величине задержки, так называемой «влажной задержке», рассчитывается интегральное содержание водяного пара ИСВП [кг/м, или мм] в вертикальном столбе атмосферы. При расчете ИСВП используется средневзвешенная температура (взвешенная с учетом вертикального распределения) воздуха, полученная по результатам статистической обработки данных радиозондирования в этой точке или модельным данным.
Зенитная задержка радиосигнала ГНСС во влажном воздухе является функцией вертикального профиля температуры и парциального давления водяного пара над точкой наблюдения. Значение средневзвешенной температуры атмосферы Тm необходимо для расчета интегрального содержания водяного пара.
m
m
Если бы земная атмосфера была изотермичной, параметр Т был бы константой, однако поскольку температура в тропосфере, в большинстве случаев имеет отрицательный вертикальный градиент, средневзвешенная температура представляет собой среднюю температуру атмосферы, взвешенную по парциальному давлению водяного пара. Таким образом, параметр Т определяется температурой на поверхности Земли, вертикальным профилем температуры тропосферы, а также вертикальным распределением влажности.
m
От точности определения параметра Т зависит точность расчета значения ИСВП, поэтому необходимо как можно точнее знать значения данного параметра для конкретного места наблюдения. При выборе универсального значения средневзвешенной температуры, точность расчета будет составлять всего 15%.
Существуют различные подходы определения средневзвешенной температуры, отличающиеся точностью оценки данного параметра, например использование результатов расчета профиля температуры с помощью модели численного прогноза погоды. Также, поскольку значение средневзвешенной температуры находится в корреляции с приземной температурой, возможно использование эмпирических функций с заданными коэффициентами, описывающих данную зависимость. Значения коэффициентов определяются по ряду наблюдений, относящихся к месту наблюдения. Данный способ позволяет избежать необходимости определения температурных профилей, но увеличивает погрешность оценки ИСВП. Наконец, для оценки средневзвешенной температуры может служить исторических архив данных измерений температуры и влажности для конкретного места наблюдения.
Задачей данной полезной модели является уменьшение погрешности в определении средневзвешенного значения температуры воздуха.
Поставленная задача достигается тем, что устройство, содержащее двухчастотный приемник сигналов Глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), соединенный с вычислительным устройством для расчета по величине задержек сигналов ГНСС интегрального содержания водяного пара (ИСВП), к которому подключена метеорологическая станция, измеряющая давление, влажность и температуру в месте установки комплекса), введен комплекс аэрологического зондирования, получающий вертикальные профили давления, влажности и температуры, подключенный к вычислительному устройству.
По данным радиозондирования рассчитывается взвешенное с учетом вертикального распределения влажности значение температуры воздуха, используемое для уточнения расчета ИСВП. Для проведения сравнительного контроля рассчитывается ИСВП в вертикальном столбе атмосферы по данным радиозондирования, путем численного интегрирования величин, полученных в результате зондирования атмосферы, а именно: вертикального профиля температуры и относительной влажности.
Сущность полезной модели состоит в следующем:
2
Сигнал от двухчастотного приемника сигналов Глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), поступает на вычислительное устройство), к которому подключена метеорологическая станция, измеряющая давление, влажность и температуру в месте установки комплекса, для расчета по величине задержек сигналов ГНСС интегрального содержания водяного пара (ИСВП). Из общей задержки радиосигнала вычитается ионосферная и гидростатическая задержки. По оставшейся величине задержки, так называемой «влажной задержке», рассчитывается интегральное содержание водяного пара ИСВП [кг/м, или мм] в вертикальном столбе атмосферы. Для повышении точности расчетов используется фактическое значение средневзвешенной температуры воздуха (взвешенное с учетом вертикального распределения), рассчитанной по данным комплекса аэрологического зондирования, подключенного к вычислительному устройству, и получающего вертикальные профили давления, влажности и температуры.
Техническим результатом, обеспечиваемым предлагаемым построением комплекса, является увеличение точности измерения ИСВП на 15%.
Предполагается внедрение полезной модели на метеорологической наблюдательной сети Российской Федерации.
Источники информации:
1. Патент США US 5675081 от 07.10.1997
2. Bevis, M., S. Businger, T.A.Herring, С.Rocken, R.A Anthes, and R.H.Ware, GPS Meteorology: Remote Sensing of the Atmospheric Water Vapor Using the Global Positioning System, J.Geoph. Res., 97, 15787-15801, 1992.