Оценка параметров атмосферы и ионосферы по данным наземного и спутникового приема сигналов высокоорбитальных навигационных систем, страница 4

Показано чтосреднее значение TEC, полученное этим методом (см. рис. 7), в моментвспышки возрастает, в то время как посчитанное для сравнения среднеезначение TEC по данным глобальных ионосферных карт IGS не обладаетдостаточным временным разрешением, чтобы описать быстрые процессы,происходящие в ионосфере во время солнечной вспышки.Пятая глава диссертации посвящена возможности использованияданных спутникового приема сигналов GPS/ГЛОНАСС для оценкипараметров атмосферы Земли.

Одним из методов использующихспутниковый прием сигналов высокоорбитальных навигационных системявляется радиозатменный или рефрактометрический метод. Он позволяет вприближении локальной сферической симметрии атмосферы получитьинформацию о высотном профиле показателя преломления, который, всвою очередь, содержит информацию об основных метеорологическихполях.В первом параграфе приведена зависимость показателя преломленияот основных параметров атмосферы, таких как давление, температура,влажность, электронная концентрация в ионосфере. Описано, на какихвысотах соответствующие параметры вносят максимальный вклад впоказатель преломления.

Указано на возможность выделения вкладаотдельных областей атмосферы в показатель преломления сиспользованием двух частот системы GPS.Во втором параграфе приведена система уравнений длявосстановления профилей плотности ρ , температуры T , давления p ивлажности pw из профиля показателя преломления N , состоящая изуравнения гидростатики, уравнения состояния и уравнения для показателяпреломления.⎧⎪ρ = 1 ( N − k 2 p w )⎪k1 RµT2⎪∞⎪⎨ p(h) = g ∫ ρ (r )drh⎪∞⎪∫ ρ (r )dr⎪T (h) = g h⎪R µ ρ ( h)⎩(8)16Данная система является незамкнутой и для замыкания требуетдополнительной, априорной информации о состоянии атмосферы.Рассмотрены различные подходы замыкания этой системы, а именно:приближение «сухой» атмосферы, применимое в областях, где влияниемводяного пара можно пренебречь (например в Арктике); использование вкачестве априорной информации профиля или приземного значениятемпературы. Предложен метод использования независимо измеренногополного содержания водяного пара в столбе атмосферы, как априорнойинформации для восстановления метеопараметров.

Он заключается вследующем.1. Выше некоторой высоты H влиянием водяного пара можнопренебречь и восстанавливать профили давления и температуры вприближении сухой атмосферы.2. Для высот меньших H априорная информация об интегральномсодержании водяного пара позволяет определить градиент профилятемпературы в предположении, что температура меняется полинейному закону.3.

Зная профиль температуры, можно восстанавливать профильдавления и влажности из профиля показателя преломленияизвестными алгоритмами.В третьем параграфе дается краткое описание модели HIRHAM4, наоснове которой строились модельные профили показателя преломления.Четвертый параграф посвящен моделированию восстановленияпрофилей метеопараметров из профилей показателя преломления,полученных при трассировке модели HIRHAM4 Арктического региона.Была оценена возможная точность каждого из описанных в параграфетретьем алгоритмов.

Полученные результаты показывают, что в рядеслучаев источником ошибок может служить поле влажности, не учеткоторого приводит к относительным ошибкам порядка 10% для приземныхзначений температуры и порядка 5% для приземных значений давления.Наличие априорной информации о поле температуры позволяетуменьшить максимальные относительные ошибки восстановлениядавления до 1%, а также восстанавливать поле влажности с точностьюпорядка 10% для приземных значений. Использование априорнойинформации об интегральном содержании водяного пара приводит кошибкам восстановления, сравнимым с ошибками, получаемыми привосстановлении профилей влажности и давления при наличии априорнойинформации о профиле температуры, причем восстановление профилятемпературы происходит тем лучше, чем ближе поведение реальногопрофиля температуры к линейному. Полученные результаты могут бытьиспользованы для прогноза возможных ошибок в реальныхэкспериментальных данных и для создания процедур коррекции этих17данных, причем прогноз вероятных ошибок будет тем точнее, чем точнеемодель HIRHAM4 описывает состояние атмосферы.Пятыйпараграфпосвященвосстановлениюпрофилейметеопараметров из профилей показателя преломления, полученных вреальных радиозатменных экспериментах на спутнике CHAMP (GFZPotsdam).

Было обработано несколько сотен профилей показателяпреломления. Пример профилей метеопараметров, полученных врезультате обработки приведен на рис. 8. Восстановленные профилиметеопараметров хорошо согласуются с данными, представляемыми GFZPotsdam, но, не смотря на это, исходя из результатов моделирования,можно сделать вывод, что полученные профили метеопараметров могутнести в себе относительные ошибки порядка 3% для температуры и 1% длядавления, что для приземных значений может составлять 3-4К и 10 мбарсоответственно. Ошибки в определении влажности вообще могут бытьненормированны, вплоть до восстановления отрицательных значенийвлажности.

Таким образом использовать профили метеопараметров,полученных в радиозатменных экспериментах следует с большойосторожностью. Разумным представляется использовать эти сильноусредненные, в силу предположения о локальной сферической симметрииатмосферы, профили в качестве начального приближения для другихметодов восстановления.Рисунок 8. Восстановленный в приближении «сухой» атмосферы из профиляпоказателя преломления, полученного со спутника CHAMP, профильтемпературы (T dry); профиль температуры (T dry CHAMP), независимоопределенный GFZ-Potsdam по данным CHAMP; априорный профильтемпературы (T wet). Профиль парциального давления водяного пара,восстановленного по данным CHAMP (P wv) и профиль давления водяного пара,независимо определенный GFZ-Potsdam по данным CHAMP (P wv CHAMP)В заключении приведены основные результаты, полученные в ходеработы над диссертацией, а именно:1.

Создано программное обеспечение, позволяющее решать прямую задачумоделирования восстановления распределения электронной концентрациив ионосфере для реальной геометрии всех спутников и приемников GPS18для выбранного дня и предложенного модельного распределения. Этораспределение построено в приближении толстого слоя постояннойтолщины и качественно отражает широтный и суточный градиентыраспределенияэлектроннойконцентрации,такиеглобальныенеоднородности как экваториальная аномалия и главный ионосферныйпровал. Возможно введение локальных неоднородностей, волновыхструктур, а также задание внезапного увеличения электроннойконцентрации во время солнечных вспышек.2. Предложен метод построения приближенных дискретных проекционныхоператоровзадачивосстановленияраспределенияэлектроннойконцентрации в ионосфере по данным GPS, использующий приближениетолстого слоя постоянной толщины для вертикальной составляющейразлагаемого поля и локальную интерполяцию полиномами Лагранжапервой или второй степени для представления пространственно-временнойструктуры разлагаемого поля на высоте максимума слоя.

Предложен методмежитерационного сглаживания решения для получения гладкого решениязадачи. На основе предложенных методов реализован алгоритмвосстановления глобального пространственно-временного распределенияэлектронной концентрации в ионосфере по фазоразностным даннымвысокоорбитальных навигационных систем.3. На предложенном модельном распределении электронной концентрациив ионосфере проведено компьютерное моделирование и показанавозможность восстановления разработанным методом характерныхособенностей распределения электронной концентрации в ионосфере:широтных и суточных градиентов, параметров экваториальной аномалии иионосферногопровала,локальныхнеоднородностей.Показанавозможность восстановления разработанным методом внезапногоувеличения среднего или суммарного по всей Земле значения TEC вовремя солнечных вспышек.4.

Проведены реконструкции глобального распределения электроннойконцентрации в ионосфере по реальным данным наземного приемасигналов GPS в различные временные периоды. Приведены реконструкцииионосферы для дня сильнейшей геомагнитной бури 30 октября 2003 года.Получены аномально высокие значения TEC порядка 220TECU в дневноевремя над Калифорнией. В тоже время, значения TEC в верхних широтахнад Аляской достигают значений, характерных для дневнойприэкваториальной ионосферы в невозмущенные периоды.