Об использовании данных абсолютного радиометра водяного пара в интересах эфемеридно- временного обеспечения системы ГЛОНАСС КВНО-2013 15-19 апреля 2013. - презентация

1 Об использовании данных абсолютного радиометра водяного пара в интересах эфемеридно- временного обеспечения системы ГЛОНАСС КВНО апреля 2013 Титов Е.В., Широкий С.М., Ильин Г.Н. Открытое акционерное общество «Научно-производственная корпорация «Системы прецизионного приборостроения» (ОАО «НПК «СПП») Институт прикладной астрономии Российской академии наук (ИПА РАН)

2 Об использовании данных абсолютного радиометра водяного пара в интересах эфемеридно- временного обеспечения системы ГЛОНАСС 2 Усилия по воссозданию космической навигационной системы ГЛОНАСС Деградация количественного состава системы ГЛОНАСС на рубеже 2001 года Федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система» на период гг. (утверждена постановлением Правительства РФ от , с изменениями постановлением Правительства РФ от ) К концу 2011 года - количество КА в ОГ – 24 - доступность навигации – глобальная - точность НП – 4-6 м (0.95, PDOP=2) - согласование координат объектов на поверхности Земли – на уровне 3 см Вывод: К концу 2011 года достигнут конкурентоспособный уровень КНС ГЛОНАСС по сравнению с зарубежными аналогами

3 Об использовании данных абсолютного радиометра водяного пара в интересах эфемеридно- временного обеспечения системы ГЛОНАСС 3 Поддержание конкурентоспособного уровня системы ГЛОНАСС Федеральная целевая программа «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на годы» (утверждена постановлением Правительства РФ от ) Вывод: Сформулирована сложная научно-технической проблема, подразумевающая проведение ориентированных фундаментальных научных исследований, совершенствования существующих систем фундаментального обеспечения системы ГЛОНАСС Фундаментальные научные исследования Совершенствование систем фундаментального обеспечения Факторы Точность космического сегмента ГНС ГЛОНАСС (ЭВО, ГДО, ГО и др.) Точность учета факторов у потребителя (навигационного обеспечение)

4 Об использовании данных абсолютного радиометра водяного пара в интересах эфемеридно- временного обеспечения системы ГЛОНАСС 4 Учет среды распространения навигационных сигналов ГЛОНАСС Вывод: Погрешность учета влияния тропосферы характеризуется дециметровым уровнем и не исключается с необходимой точностью только на основе применения навигационных измерений Рефракция навигационных сигналов в ионосфере и тропосфере Земли Эффект многолучевости (multipath) Многолучевость – эффект приема и совместной обработки в аппаратуре потребителя прямых и отраженных сигналов - в общем случае неслучайна, носит детерминированный характер; - модели многолучевости ближней, средней и дальней зоны (для фиксированных пунктов); - введение маски по углу места приема сигнала для пунктов с априори неизвестной позицией. Ионосфера эффективно парируется обработкой навигационных измерений на двух и более частотах - ионосферные коррекции 1-го порядка – учет 99.9% эффекта (остаточная погрешность ~1.5 см (σ)); - ионосферные коррекции высших порядков (I2+) – уменьшение остаточной погрешности на порядок до единиц миллиметров (Kedar (2003), Fritsche (2005), Hernandez-Pajares (2007), Hoque & Jakowski (2007) ).

5 Об использовании данных абсолютного радиометра водяного пара в интересах эфемеридно- временного обеспечения системы ГЛОНАСС 5 Учет тропосферной задержки в математической модели измерений узлов колокации БИС-КОС-РСДБ Вывод: Для учета тропосферных задержек применяются импортные мат. модели, рекомендованные международными службами и прошедшие тестирование. Среди отечественных разработок модели отсутствуют Для измерений квантово-оптических средств (свыше 30 ГГц) Для измерений радиотехнических средств (до 30 ГГц) ZD –модели Marini and Murray (1973) и Mendes and Pavlis (2004), деление во второй модели на гидростатическую и «влажную» составляющие ZD –модели Saastamoinen (1972), Davis et al. (1985) –гидростатическая, – «влажная» ФормулаГод min, град ИД для параметризации функций отображения Точность модели (3σ), мм "сухой""влажной" Marini & Murray P, T, e,, h 200- Chao19741табличная форма модели-230 Lanyi19846 T, h i, h t, -23 Davis (CfA2.2)19855 P, T, e,, h t --15 Herring (MMT)19923 T,, h -15 Niell (NMF)19963 DOY,, h -3 Niell (NWM)20013табличная форма модели-3 Boehm et al. (VMF1)20063коэффициенты a, b, c (NWM, ECMWF)-3 Boehm et al. (GMF)20063 DOY,, λ, h, λ -3 Lagler et al. (GPT2)20133 DOY,, λ, h dT, a h, a w, e s VMF1 -3 Функции отображения (MF) –гидростатическая, – «влажная»

6 Об использовании данных абсолютного радиометра водяного пара в интересах эфемеридно- временного обеспечения системы ГЛОНАСС 66 Направления совершенствования методов учета тропосферной задержки Для квантово-оптических средств: Для радиотехнических средств: 1) применение параметрической модели тропосферной задержки 2) применение специализированных внешних устройств измерения фотометрических характеристик атмосферы – радиометров водяного пара (РВП). где - гидростатическая составляющая задержки НС; - «влажная» составляющая задержки НС; - градиентная горизонтальная составляющая задержки НС. расчет интегрального значения тропосферной задержки с учетом горизонтальных градиентов на основе метода 3-мерного сканирования атмосферы (Three-Dimensional Atmospheric Ray Tracing (3D ART), Hulley and Pavlis (2007)) Вывод: Горизонтальные градиенты необходимы для учета сферичности атмосферы. Не учет горизонтальных градиентов при реализации РСДБ- техники приводит к систематическим ошибкам в оценивании масштаба ITRF на уровне 1 ppb

7 Об использовании данных абсолютного радиометра водяного пара в интересах эфемеридно- временного обеспечения системы ГЛОНАСС 77 Априорные модели горизонтальных градиентов на основе обработки измерений внешних источников European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) East West

8 Об использовании данных абсолютного радиометра водяного пара в интересах эфемеридно- временного обеспечения системы ГЛОНАСС 88 Результаты апостериорного оценивания влажной составляющей тропосферной задержки по измерениям БИС (СВОЭВП) и РСДБ (IVS) Вывод: Отличительной особенностью представленных технологий оценивания является их низкая оперативность. Режим оценивания - апостериорный с временными задержками получения оценок от нескольких суток по сети БИС (СВОЭВП) до 2 месяцев по измерениям РСДБ (IVS)

9 Об использовании данных абсолютного радиометра водяного пара в интересах эфемеридно- временного обеспечения системы ГЛОНАСС 99 Использование РВП в оперативном эфемеридно-временном обеспечении ГНС ГЛОНАСС В ФЦП предусмотрено создание опытного образца РВП с установкой на узлах колокации «Зеленчукская» и «Бадары» радиоинтерферометрического комплекса «Квазар-КВО» и обеспечение передачи данных РВП потребителям Отработка перспективных технологий КВНО предусматривает разработку специализированного пакета программного обеспечения (ПО) сбора, обработки и оперативной передачи данных потребителям в центр обработки и анализа данных (ЦОАД) системы определения параметров вращения Земли (СОПВЗ, сегмент Минобороны). Проблема: получение актуальных данных о параметрах тропосферы в реальном масштабе времени при решении задач КВНО потребителейГЛОНАСС. Предлагаемый путь решения: разработка и создание сети радиометров водяного пара (РВП) с обеспечением масштабирования измерений РВП и измерений штатных средств НКУ ГЛОНАСС. Радиометр водяного пара - классический двухчастотный радиометр диапазона 21/32 ГГц, предназначенный для измерения яркостной температуры атмосферы и получения информации о высотных профилях температуры и влажности атмосферы на основе спектрометрических измерений в линиях поглощения кислорода и водяного пара.

10 Об использовании данных абсолютного радиометра водяного пара в интересах эфемеридно- временного обеспечения системы ГЛОНАСС 10 Опытный образец РВП в составе РАО «Светлое» Требования к РВП в интересах отработки технологий ЭВО ГЛОНАСС: - режим работы – круглосуточный автоматический, с регистрацией данных в течение интервалов времени не менее одного месяца; - диапазон рабочих наружных температур – от минус 30 до плюс 30 °С; - защита корпуса по классу не ниже IP64 (работоспособность под дождем); - возможность удаленного доступа к органам управления аппаратурой с целью диагностики и изменения режима работы; - регистрация дополнительных параметров для оперативного контроля работы системы; - обеспечение обмена данными с управляющим компьютером (УК) РВП по согласованному интерфейсу в соответствии со стандартом RS-485 (RS-232, RS-422); - обеспечение функционирования в составе локальной вычислительной сети с доступом к внешним информационным ресурсам посредством стандартизованных протоколов. Вывод: Применение опытного образца РВП РАО «Светлое» обеспечивает разработку и экспериментальную отработку методов, моделей и технологий оперативного ЭВО ГЛОНАСС

11 Об использовании данных абсолютного радиометра водяного пара в интересах эфемеридно- временного обеспечения системы ГЛОНАСС 11 Параметрическая модель влажной составляющей тропосферной задержки по данным абсолютного РВП В основе параметрической модели зависимость зенитной тропосферной задержки от линеаризованных значений яркостной температуры на двух частотах РВП ν 1 и ν 2 (О.J. Jarlemark (1994)) Уточнение коэффициентов с 0 и с 1 осуществляется на основе методов регрессионного анализа с использованием апостериорных результатов уточнения тропосферной задержки в СВОЭВП по измерениям глобальной сети беззапросных измерительных станций. структура модели СВОЭВП – кусочно-постоянная с длительностью участка до 5 мин; задержка в получении данных СВОЭВП – от 2-х до 5 суток; количество станций в сети – до 250 (в перспективе – до 400 станций). Вывод: С использованием данных СВОЭВП обеспечивается апостериорное уточнение параметров модели тропосферной задержки для пункта установки РВП, обеспечивающих в дальнейшем применение измерений радиометра в интересах оперативного ЭВО ГЛОНАСС

12 Об использовании данных абсолютного радиометра водяного пара в интересах эфемеридно- временного обеспечения системы ГЛОНАСС 12 Результаты экспериментальной отработки технологии использования данных РВП в интересах оперативного ЭВО ГЛОНАСС Вывод: Степень согласования параметрической модели на основе оперативных данных абсолютного РВП и апостериорных данных СВОЭВП демонстрирует возможность повышения точности учета тропосферы в оперативном ЭВО ГЛОНАСС до субсантиметрового уровня

13 Об использовании данных абсолютного радиометра водяного пара в интересах эфемеридно- временного обеспечения системы ГЛОНАСС 13 Результаты экспериментального оценивания точности параметрической модели влажной составляющей тропосферной задержки Вывод: Параметры модели влажной составляющей тропосферной задержки на основе данных РВП демонстрируют высокую стабильность во времени, что способствует построению робастных алгоритмов их начальной инициализации и возможного эпизодического уточнения в процессе использования в интересах оперативного ЭВО ГЛОНАСС Интервал оценивания Параметры модели Точность модели σ, см c 0 c1c Месяц ( ) По измерениям яркостной температуры опытного образца РВП для пункта эксплуатации РАО «Светлое»

14 Об использовании данных абсолютного радиометра водяного пара в интересах эфемеридно- временного обеспечения системы ГЛОНАСС 14 Предложения по внедрению радиометрами водяного пара в состав средств НКУ ГЛОНАСС Кр.Село Енисейск Комсомольск Бадары (опытный образец-2) Щелково Камчатка Воркута Улан-Удэ Уссурийск Светлое (опытный образец-1) Вывод: Внедрение радиометров водяного пара в состав средств НКУ ГЛОНАСС позволит обеспечить учет эффектов за счет тропосферы при реализации оперативного ЭВО ГЛОНАСС с обеспечением заданных требований к точности космического сегмента. Установка РВП на пунктах колокации (БИС-КОС-РСДБ) обеспечивает масштабирование разнотипных моделей в интересах точности фундаментального обеспечения ГЛОНАСС

15 Об использовании данных абсолютного радиометра водяного пара в интересах эфемеридно- временного обеспечения системы ГЛОНАСС 15 Выводы Дальнейшие направления исследований: 1.Экспериментальное оценивание точности и стабильности параметров модели «влажной» составляющей тропосферной задержки на длительных интервалах наблюдения (от месяца до года). 2.Экспериментальное оценивание точности оперативного ЭВО ГЛОНАСС с использованием модели «влажной» составляющей тропосферной задержки и данных РВП. 3.Уточнение моделей, методик и технологий расчета тропосферной задержки сигналов ГЛОНАСС по данным абсолютного РВП, в том числе с использованием информации от датчиков росы и дождевых радаров с составе автоматического метеокомплекса радиометра. Полученные экспериментальные результаты демонстрируют потенциально высокую точность расчета и оперативного учета в ЭВО ГЛОНАСС «влажной» составляющей задержки тропосферы на основе применения данных абсолютного РВП.

16 Об использовании данных абсолютного радиометра водяного пара в интересах эфемеридно- временного обеспечения системы ГЛОНАСС 16