Розділ 2. Нейтральна атмосфера та її вплив на поширення гнсс-сигналів

Особливості поширення електромагнітних коливань на шляху супутник - приймач полягають у наступному. Як відомо, радіус колових орбіт GPS-супутників складає понад 26 тис. км. Приблизно 95% цієї відстані хвиля проходить у вакуумі або відкритому космосі, де швидкість електромагнітного сигналу постійна і добре відома, с = 299 792 458 м/с. Якщо електромагнітний сигнал поширюється у вакуумі, то швидкість його дорівнює швидкості світла у вакуумі - це справедливо для всіх частот.

Далі сигнал входить в атмосферу Землі, електромагнітні та фізичні властивості якої значно відрізняються від вакууму, що істотно відбивається на швидкості поширення електромагнітних хвиль (ЕМХ). Швидкість поширення ЕМХ залежить від показника заломлення повітря:

, (2.1)

де с – швидкість світла у вакуумі.

Точність визначення швидкості поширення хвилі залежить від точності визначення дійсного показника заломлення повітря на всьому її шляху. Тому, для обчислення шляху, пройденого сигналом супутника, необхідно знати дійсний показник заломлення повітря уздовж шляху. Ця величина може бути визначена лише при достовірних припущеннях про будову атмосфери або шляхом безпосередніх вимірювань.

У самому загальному випадку атмосфера, в якій поширюється сигнал, має дві різні за впливом частини - активну від іоносфери і електрично нейтральну від тропосфери та стратосфери.

На висоті близько 50 км від поверхні Землі сигнал входить в електрично нейтральні шари атмосфери - стратосферу і тропосферу, які називають нейтральною атмосферою. При проходженні радіосигналу через неї його показник заломлення стає більшим за одиницю, і відповідно залежності (2.1) зменшується швидкість проходження сигналу, а отже збільшується відстань.

Крім цього, зміна показника заломлення з висотою викликає викривлення променя (траєкторії сигналу), а тому виникає ще й явище рефракції. Зазначимо, що другий фактор, порівняно з першим, збільшує відстань у позазенітній зоні лише на 0,2%, а тому ним у більшості випадків нехтують. Вплив цих факторів, у загальному, називають рефракцією нейтральної атмосфери або затримкою (поширення) нейтральної атмосфери або тропосферною затримкою.

Атоми і молекули, розташовані в шарі нейтральної атмосфери не розсіюють радіосигнали на частотах до 30 ГГц, тому показник заломлення тут не залежить від частоти і n_p = n_g, тобто показник заломлення несучої рівний груповому показнику заломлення.

У кожній точці нейтральної атмосфери показник заломлення повітря може бути виражений як функція атмосферного тиску, температури і вологості. Тропосферна затримка може бути розділена на гідростатичну або суху та вологу (негідростатичну) складові і визначатися з аналітичних моделей, побудованих на основі апроксимації профілів атмосфери. Величина тропосферної затримки у вертикальному (зенітному) напрямку, називається зенітною тропосферною затримкою.

На рівні моря зенітна тропосферна затримка становить у середньому 2,5 м. Її гідростатична або суха складова становить близько 90% від повної зенітної затримки. Ця складова може досить точно прогнозуватись за точно виміряним поверхневим атмосферним тиском.

З точним визначенням вологої складової зенітної тропосферної затримки виникає проблема, оскільки вона зазнає значних просторово-часових змін, і аж ніяк не може бути точно визначена лише за точними поверхневими значеннями вологості, оскільки кореляція між ними і значеннями вологості вздовж вертикальних профілів є дуже низькою.

Для позазенітної зони тропосферна затримка може бути визначена шляхом використання функцій відображення.