STABILNOŚĆ PRACY STACJI ODNIESIENIA DGPS W CZASIE PRZEJŚCIA FRONTU ATMOSFERYCZNEGO - WYNIKI EKSPERYMENTU

Transkrypt

1

2 dr inż. Kajetan Ćwiklik dr inż. Cezary Specht STABILNOŚĆ PRACY STACJI ODNIESIENIA DGPS W CZASIE PRZEJŚCIA FRONTU ATMOSFERYCZNEGO - WYNIKI EKSPERYMENTU Streszczenie W referacie przedstawiono wyniki eksperymentu, którego celem było wstępne ustalenie istnienia związku pomiędzy stanem górnych warstw atmosfery a stabilnością i poprawnością pracy stacji odniesienia DGPS. Badania przeprowadzono w okresie 3 dni, których wyniki pozwalają domniemywać, iż dynamika zmian atmosfery wpływa ujemnie na pewne parametry pracy stacji odniesienia - istotne z punktu widzenia nawigacyjnego użytkownika. Wstęp Morska stacja odniesienia DGPS przeznaczona jest do świadczenia serwisu nawigacyjnego w zakresie określania pozycji dla tych aplikacji nawigacyjnych, które wymagają wysokich dokładności mierzonych parametrów nawigacyjnych. Dotyczy to w szczególności dokładności określenia pozycji, dostępności i wiarygodności serwisu. Z punktu widzenia bezpieczeństwa żeglugi system DGPS odgrywa współcześnie kluczowe znaczenie w aspekcie nawigacyjnego zabezpieczenia pozycjonowania na podejściach do portów i w portach oraz żegludze po torach wodnych. Bogate piśmiennictwo dotyczące DGPS dotyczy zasadniczo charakterystyk pracy tego systemu odniesionych do typowych warunków hydrometeorologicznych. Lecz biorąc pod uwagę doświadczenia związane z morskimi tragediami komunikacyjnymi, większość z nich zdarzała się w sytuacjach, wysokiej niestabilności troposfery.. Wybrane meteorologiczne aspekty związane z rozchodzeniem się fal radiowych w troposferze. Stan fizyczny atmosfery ziemskiej ulega na ogół modyfikacjom, różniąc się w znacznym stopniu od warunków standardowych. Zmiany te, spowodowane są wynikiem wzajemnego oddziaływania atmosfery i powierzchni Ziemi. Nie jest to bez znaczenia na proces rozchodzenia się fal radiowych. Wpływ ten sprowadza się do takich procesów, jak, refrakcja, dyfrakcja czy interferencja. Większość tych procesów ma miejsce w troposferze. Troposfera jest ośrodkiem niejednorodnym pod względem gęstości, dzięki czemu rozchodzące się w niej fale radiowe ulegają przede wszystkim refrakcji. Niejednorodność 87

3 gęstości powietrza ulega również fluktuacji, powodując jednoczesne rozproszenie fal radiowych. Dla określenia wpływu troposfery na zachodzącą w niej refrakcję fal należy rozpatrzyć współczynnik refrakcji troposferycznej który, zależny jest od temperatury, ciśnienia i wilgotności powietrza. Analizując wymienione parametry meteorologiczne należy stwierdzić, że ciśnienie powietrza w małym stopniu decyduje o wartości współczynnika refrakcji. Inaczej ma się rzecz z pozostałymi parametrami. Zarówno wzrost wilgotności powietrza jak i wzrost temperatury z wysokością, powoduje wzrost współczynnika refrakcji. Cechy charakterystyczne troposfery to spadek temperatury i wilgotności w miarę wzrostu wysokości. Jednakże proces turbulencyjnego transportu ciepła i wilgoci w układzie atmosfera-podłoże bardzo często, obraz ten zmienia. Szczególnie widoczne jest to gdy obserwuje się pionowe gradienty temperatury które, w znacznym stopniu różnią się gradientu średniego. Prowadzi to do powstania w pewnych warstwach zjawiska izotermii i inwersji. Zjawisko inwersji przy jednoczesnym spadku wilgotności z wysokością, wywołuje zwiększenie ujemnego gradientu współczynnika refrakcji w danym obszarze (superrefrakcja). Gradient współczynnika refrakcji przyjmuje również wartość dodatnią w sytuacji odwrotnej tj: gdy obserwowany jest jednocześnie wzrost wilgotności i spadek temperatury z wysokością (subrefrakcja). Refrakcja normalna ma miejsce gdy oba parametry zachowują się identycznie. Inną cechą charakterystyczną dla troposfery jest istnienie w niej pionowych ruchów powietrza, zarówno wstępujących jak zstępujących. Ma to szczególne znaczenie dla procesów adiabatycznych zachodzących w troposferze które, z racji swojej istoty przyczyniają się do występowania obszarów niestabilności termodynamicznej troposfery. Konsekwencje tych procesów to: wzrost energii chwiejności, wilgotności powietrza, intensywne opady przelotne, zjawiska burzowe itp. Rodzaje refrakcji fal troposferycznych podlegają zmianom zarówno w ciągu dnia, jak i z dnia na dzień. Niejednorodność troposfery pod względem gęstościowym prowadzi do tworzenia się odpowiedniego układu warstw atmosferycznych o różnych temperaturach i wilgotności, a to pociąga za sobą zmianę współczynnika refrakcji. Zmianom refrakcji towarzyszą wahania natężenia pola elektromagnetycznego które, mają charakter regularny, wynikający z regularności dobowych i rocznych zmian refrakcji. Wahania te mogą mieć również charakter przypadkowy związany z niekorzystnymi warunkami pogody. Ma to miejsce w przypadku wystąpienia: głębokich układów cyklonalnych; intensywnych frontów atmosferycznych; zjawisk burzowych. 88

4 2. Sytuacja synoptyczna w dniach W celu dokonania oceny wpływu pionowej stratyfikacji troposfery na dokładność pozycji systemu DGPS, przeanalizowano sytuację baryczną dla punktu pomiarowego jakim była stacja aerologiczna 22(ŁEBA) w dniach r. W dniu r. (. GMT) w rejonie punktu pomiarowego pogoda kształtowała się pod wpływem zatoki niskiego ciśnienia związanej z niżem zalegającym nad Europą Zachodnią z centrum w rejonie południowej Irlandii (P.=97 hpa). W obszarze zatoki zalegały fronty atmosferyczne. Ciepły na linii Szczecin-Warszawa-Terespol, chłodny wzdłuż centralnej części Niemiec. W rejon punktu pomiarowego obserwowano adwekcję ciepłego i wilgotnego powietrza o równowadze stałej. Analiza diagramu termodynamicznego (rys. ) dla tego samego terminu wyraźnie pokazuje istnienia inwersji w warstwie hPa o gradiencie temperatury.36 C na każde m wysokości. W warstwie pod inwersyjnej występuje superrefrakcja. Do wysokości 3 m powietrze jest wilgotne bliskie stanu nasycenia (refrakcja normalna). W warstwie tej występuje obszar chwiejności troposfery o grubości hpa, w związku z tym wzrasta możliwość wystąpienia burz. Potwierdzeniem tego są wysokie wartości wskaźników burzowych Whaitinga wynoszące-26 (pojedyncze burze w rejonie). Rys.. Analiza diagramu aerologicznego ze stacji 22 ŁEBA z dnia r. z godz.. GMT. W dniu r. punkt pomiarowy 22 stopniowo poddaje się wpływowi oddziaływania frontu chłodnego. Napływające powietrze będące dotychczas w równowadze stałej, a na samej linii frontu ciepłego warunkowo chwiejnej stopniowo przechodzi w równowagę chwiejną. Analiza diagramu termodynamicznego potwierdza wystąpienia 89

5 grubej warstwy konwekcyjno chwiejnej o dużej wilgotności. Następuje rozwój chmur kłębiastych typu Cu, Cb z jednoczesnym wzrostem współczynników Whitinga do wartości 28-3(burze w rejonie). Spadek temperatury i wilgotności ma charakter jednakowy dlatego też, mamy do czynienia z ogólnym przypadkiem refrakcji normalnej. Niemniej, w związku z istnieniem warstwy konwekcyjno-chwiejnej należy spodziewać się wystąpienia w troposferze turbulencyjnych odchyleń współczynnika refrakcji od jego średniej (przeciętnej) wartości. Występowanie czasowych i przestrzennych fluktuacji współczynnika refrakcji uzależnione jest od przenoszenia cząsteczek przy wodnej(wzrost wilgotności) do wyższych warstw troposfery w wyniku istnienia konwekcyjnych prądów turbulencyjnych. W dniu r. obserwowane jest stopniowe wypełnianie się układu niżowego który, ostatecznie przyjmuje kształt słabogradientowego pola obniżonego ciśnienia. Masa powietrza jest pochodzenia polarno-morskiego, a po transformacji, sucha o równowadze obojętnej. Niemniej przy powierzchni Ziemi występuje zjawisko inwersji przyziemnej sprzyjającej powstaniu superrefrakcji. Rys. 2. Sytuacja baryczna w dniu z godzin:. GMT (mapa lewa) i 2. GMT (mapa prawa). 3. Wyniki pomiarów wybranych parametrów pracy stacji odniesienia DGPS w czasie przejścia frontu atmosferycznego Badania przeprowadzono przy wykorzystaniu odbiornika pomiarowego LEICA922/MX5R umożliwiającego rejestrację znacznej liczby zmiennych. Za istotne dla wnioskowania parametry uznano: wartości poprawek pseudoodległościowych - wypracowanych przez DGPS RS, 9

6 szybkości zmian poprawki pseudoodległościowej wypracowanych przez DGPS RS. Na podstawie otrzymanych wyników można wnioskować, że: W przypadku masy powietrza o równowadze stałej (pierwszy dzień pomiarów r.) związanej z frontem ciepłym (f = %), zmiany wartości poprawki odległościowej i szybkości zmian poprawki są umiarkowane i odpowiadają przyjętym typowo wartościom. O godz. 2. zaobserwowano wyraźny wzrost wartości i jak również wzrósł ich okres. Stacja odniesienia musi więc używać coraz wyższych współczynników skali, transmitowanych w depeszy RTCM nr, aby nadążyć za szybko zmieniającą się wartością.. Wzrost ten może wynikać z lokalnej niestabilności atmosfery na samej linii frontu (współczynnik Whaitinga wynosi 26 pojedyncze burze). Drugiego dnia badań tj r. punkt sesyjny znalazł się w obszarze przechodzenia frontu chłodnego, charakteryzującego się równowagą chwiejną. Efektem tego są bardzo duże wartości (-8 +2 m) oraz (-,8 +,6 m/s). Trzeci dzień badań przedstawia sytuację po przejściu frontu atmosferycznego chłodnego. Sytuacja baryczna to jednorodna masa powietrza w stałogradientowym polu obniżonego ciśnienia. Równowaga masy jest obojętna. Oddziaływanie mas powietrza objawia się zmniejszeniem wartości jak i zwiększeniem okresowości zmian zarówno (-2 +2 m) jak i (-,2,4 m/s) odpowiadają to normalnej eksploatacji systemu. 9

7 [m/s] [m/s] [m/s] [m/s] [m/s] [m/s] Sesja pomiarowa 4.4. godz.. GMT Sesja pomiarowa 4.4. godz. 2. GMT Sesja pomiarowa 5.4. godz.. GMT ,8,6,4,2 -,2 -,4 -,6 -,8 PRN [48] PRN 4 [9-2] PRN [48] CZAS [s] PRN 4 [9-2] Sesja pomiarowa 5.4. godz. 2. GMT Sesja pomiarowa 6.4. godz.. GMT Sesja pomiarowa 6.4 godz.2. GMT,8,6,4,2 -,2 -,4 -,6 -, PRN [2] PRN 6 [26-22] PRN 7 [8-22] PRN [24-2] PRN 3 [8-22] PRN 4 [73] PRN 2 [22-26] PRN 3 [6-2],8,6,4,2 -,2 -,4 -,6 -, PRN 2 [6-2] PRN 7 [9-2] ,8,6,4,2 -,2 -,4 -,6 -,8 PRN [2] PRN 6 [26-22] PRN 7 [8-22] PRN [2] PRN 6 [26-22] PRN 7 [8-22] Rys. 3. Wyniki pomiarów i satelitów o małej wysokości topocentrycznej w punkcie pomiarowym Gdynia w dniach PRN 2 [6-2] PRN 7 [9-2],8,6,4,2 -,2 -,4 -,6 -, PRN 2 [6-2] PRN 7 [9-2] PRN 3 [9-23] PRN 4 [5] PRN 8 [2-22],8,6,4,2 -,2 -,4 -,6 -, PRN 3 [9-23] PRN 4 [5] PRN 8 [2-22] 92

8 Opisana powyżej sytuacja musi skutkowała pojawieniem się większych niż standardowo błędów określenia pozycji (rys. 4.) w dniu Ze względu na znaczne wartości oraz podwyższenie się poziomu szumów atmosferycznych spowodowanych burzami, będącymi głównym źródłem zakłóceń dla transmisji radiowych w zakresie LF/MF, utrata depeszy RTCM po stronie użytkownika systemu skutkuje szybszym niż typowo narastaniem błędu pomiaru pseudoodległości. Przy większej niż typowo bitowej stopie błędów transmisji telemetrycznej zaobserwowano wydłużenie się średniego wieku poprawek. Rys. 4. Rozkład pozycji w stosunku do wartości średniej w dniu Wnioski Autorzy zastrzegają, że przedstawione wnioski dotyczą jednej sesji pomiarowej, stąd nie można mówić o ich reprezentatywności. Są one jednak niewątpliwie sygnałem dotyczącym kierunków dalszych rozważań w tym zakresie. Na podstawie przeprowadzonej analizy można sądzić, że podczas przejścia frontu atmosferycznego występuje: a/ wzrost wpływu warunków troposfery na budżet błędu systemu GPS, przy znacznej dynamice ich zmian. b/ stacja odniesienia DGPS używa wyższych współczynników skal w transmitowanych przy wzroście. c/ zmniejszeniu się dostępności systemu DGPS po stronie użytkownika - poprzez intensywniejsze uszkadzanie depesz RTCM. 93

9 d/ konsekwencją powyższego jest uszkadzania depesz RTCM skutkujące wzrostem błędu określenia pozycji. e/ zmniejszenie się strefy działania systemu DGPS. Bibliografia. Dąbrowski D., Wpływ pionowej stratyfikacji atmosfery na dokładność pozycji DGPS, praca magisterska, AMW Gdynia, Dołuchanow M., Rozchodzenie się fal radiowych, PWN, W-wa, Parkinson B. i inni, Global Positioning System, Theory and Applications, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Washington,