Вопрос для самоконтроля

1. От чего зависит коэффициент геометрического фактора?

2. Какие приемники обеспечивают самую большую точность?

3. Чем руководствуется работа спутникового приемника в целом?

4. Какие перспективные направления развития спутниковых приемников?

5. Который из режимов наблюдения наиболее точный?

6. Какой наиболее трудоемкий режим наблюдений?

7. В чем заключається преимущество режима кинематики в реальном времени (RTK)?

8. Как исчисляется временная задержка при кодовых измерениях?

9. При работе на каком коде отсутствующая неоднозначность?

Раздел 9. Учет влияния атмосферы

9.1.Общие сведения

Расстояние D или , которую нужно получить при наземных или спутниковых измерениях, есть истинная (геометрическое) расстояние. Такое расстояние мы получили бы, если бы дальномерная система работала в вакууме. При этом скорость электромагнитных волн v, что фигурирует в формулах D = v/2 или  = v, была бы постоянной и известной величиной, которая равняется фундаментальной физической константе – скорости света в вакууме с (299792458 м/с).

Наличие атмосферы приводит к тому, что распространение электромагнитных волн сопровождается следующими явлениями:

• уменьшением скорости распространения в сравнении с вакуумом;

• искажением траектории волны (явление рефракции);

• угасанием (ослаблением интенсивности);

• флюктуациями (случайными изменениями) параметров волны, обусловленными турбулентностью атмосферного воздуха.

Все эти явления делают влияние на электронные методы измерения расстояний, но степень это влияния разный. Найістотнішим фактором является уменьшения скорости через наличие атмосферы. Это ставит основную проблему учета влияния атмосферы – определение реальной скорости электромагнитных волн в каждом конкретном случае, которая фигурирует в формулах для вычисления расстояний.

Рефракционное искажение траектории волны приводит к удлинению расстояния. Это удлинение небольшое, и часто им можно пренебрегать, а в необходимых случаях учесть с достаточной точностью.

Угасание сигнала в атмосфере резко увеличивается с уменьшением длины волны и потому особенно сильно оказывается в оптическом диапазоне. Для радиоволн дольше 10см угасание несущественно малое. Наличие атмосферного угасания приводит к уменьшению дальности действия аппаратуры.

Флюктуации параметров электромагнитной волны ( амплитуды, частоты, фаза, поляризации, напрямую распространения и поперечного сечения пучка) вызывают увеличение спектральной плотности мощности шумов на входе приемника, ухудшая отношение сигнал/шум. Особенно сильно действие флюктуаций обозначается на работе интерферометров оптического диапазона и может привести к нарушению работы («размыванию» интерференционной картины) вплоть до полной невозможности измерений. В віддалемірах, что работают на модулированном излучении, влияние флюктуаций значительно меньше. Лучший образ борьбы с влиянием флюктуаций – выбор наиболее благоприятное для измерений времени времена, когда турбулентность минимальная (хорошо известные геодезистам периоды « спокойных изображений»).

Стратификация атмосферы. Этим сроком, который означает «распределение», характеризуют разделение всей толщи атмосферы на отдельные области. В метеорологии за основу такого разделения принимается характер изменения температуры с высотой, и границы между пластами - это высоты, где происходит резкий изгиб температурной кривой. В радиометеорологии принятое несколько другой распределение, связанное с особенностями распространения электромагнитных волн. Атмосферу разделяют на три области: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Между ними нет четких границ. Тропосферой называют нижний пласта от поверхности Земли к высоты 11-12 км. Стратосфера – это пласт в диапазоне от 11-12 км до 55-60 км. Выше лежит ионосфера, верхняя граница которой весьма размытая и тянется, по разным оценкам, до 1000 км и более. Ионосфера постепенно переходит в космическое пространство (вакуум).

Тропосфера и стратосфера – это неионизированные пласты воздуха. Для волн оптического диапазона они есть диспергируючим средой, то есть в них имеет место дисперсия – зависимость скорости распространения от частоты ( длины волны). Для радиоволн в тропосфере и стратосфере дисперсия отсутствующая, но оказывается в ионосфере.

Наземные віддалеміри работают в тропосфере, а в спутниковых системах сигнал проходит через все три пласта. При этом тропосферу и стратосферу обычно объединяют в один пласта и задержку сигнала в нем называют радиологической задержкой.

Показатель преломления воздуха. В любом случае, подлежащая определению скорость v, находится из соотношения

v = с/n, (9.1)

то есть задача определения скорости сводится к определению показателя преломления n. Показатель преломления зависит от метеорологических параметров – температуры Т, давки Р і влажности воздуха е, а в диспергуючих средах – и от длины волны  .

Через малое отличие показателя преломления воздуха от единицы часто удобнее пользоваться индексом преломления, которое обозначается буквой N и показывает, на сколько миллионных частиц показатель преломления больше единицы. Индекс и показатель преломления связаны соотношениями:

N = (n – 1) 106 n = 1 + N  10-6 . (9.2)

Например: n = 1,000296; N = 296. Одну миллионную частицу – единицу шестого знака – иногда называют N-Единицей.

Фазовая и групповая скорости. При наличии дисперсии среды понятия скорости распространения волн перестает быть простым и однозначным: приходится вводить понятие фазовой и групповой скоростей.

Фазовая скорость – это скорость распространения фазы монохроматической волны, которая имеет строго одну частоту. Фазовой скорости v_ф отвечает фазовый показатель преломления n_ф = с/vф. Реальный сигнал имеет конечный спектр, то есть составляется с многих составляющих разных частот, образующих группу волн с резко выраженной центральной составляющей. Каждая из этих составляющих – в этом и состоит явление дисперсии – распространяется со своей фазовой скоростью. Зависимость v_ф от частоты приводит к необходимости введения такого понятия, которое характеризовало бы распространение группы волн как целого. Таким понятием и есть групповая скорость. Она характеризует перенесение энергии группой волн.

Групповая скорость – понятие, которое применяется лишь к случаю узкого спектру f ( то есть когда f  f ) и к среде со слабой дисперсией, поскольку только при таких условиях группа волн при распространении сохраняет свою форму и потому можно говорить о ее скорости. Групповой скорости v_гр отвечает групповой показатель преломления n_{гр =} с/v_гр.

При модуляции гармонического колебания частоты f всегда возникает спектр вширшки f = 2F, где F – частота модуляции. При этом можно считать, что в среде с дисперсией несущее колебание частоты f распространяется с фазовой скоростью, а огинаюча, воспроизводящая форму модулюючого сигнала, распространяется с групповой скоростью.

Согласно этому при наземной віддалеметрії, когда работают с модулированным излучением, необходимо использовать групповую скорость, то есть вычислять групповой показатель преломления. При лазерной інтерферометрії со счетом полос для вычисления длины волны света  в воздухе должен использоваться фазовый показатель преломления ( = _вак /nф, где _вак – длина волны в вакууме). При работе со спутниковыми системами для определения задержки сигнала в ионосфере, которая есть для радиоволн диспергируючим средой, при фазовых измерениях нужно использовать фазовый, а при кодовых – групповой показатель преломления ионосферы (подробнее об этом будет сказан ниже).