Метод интегрального лучевого приближения в теории электромагнитных волн и его приложения в астрономии и геодезии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ
|
Прокопов, Александр Васильевич
АВТОР
|
||||
|
доктора физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Харьков
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1998
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.03
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
_ Я ''.--Л
0 ХАРЬКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПРОКОПОВ Александр Васильевич
УДК 621.371:521.95:528
МЕТОД ИНТЕГРАЛЬНОГО ЛУЧЕВОГО ПРИБЛИЖЕНИЯ В ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЯ В АСТРОНОМИИ И ГЕОДЕЗИИ
01.04.03 - Радиофизика
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Харьков-1998
Диссертация является рукописью
Работа выполнена в Государственном научно-производственном объединении "Метрология" Госстандарта Украины
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, старший на
учный сотрудник АНДРИАНОВ Владимир Андреевич Институт радиотехники и электроники РАН, заведующий лабораторией;
доктор физико-математических наук, профессор ГОРОБЕЦ Николай Николаевич, Харьковский государственный университет, заведующий кафедрой;
доктор технических наук, профессор ОСТРОВСКИЙ Аполлинарий Львович, Государственный университет "Львовская политехника", профессор
Ведущая организация: Институт радиофизики и электроники им.А.Я.Уси
кова HAH Украины, отдел распространения радио волн в природных средах, г. Харьков
Защита состоится " /М&<А 1898 г. в // час. на заседании специализированного ученого совета Д 64.051.02 Харьковского государственного университета (310077, г. Харьков, пл. Свободы, 4, аудитория JUS ) •
С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке Харьковского государственного университета (310077, г. Харьков, пл. Свободы, 4).
Автореферат разослан "Шл/глил 1998 г.
Ученый секретарь специализированного совета , ~ В.И.Чеботарев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Одной из актуальных задач современной теории шространения электромагнитных волн в неоднородных средах является ¡витие и совершенствование метода геометрической оптики (лучевого йлижения) с целью исследования влияния земной атмосферы на резуль-?ы астрономо-геодезических наблюдений.
Необходимость в таких исследованиях связана с тем, что в настоя) время в астрономо-геодезических приложениях широко используются юды измерений, основанные на применении электромагнитных волн. К I относятся методы измерений координат объектов, расположенных на те, вблизи Земли или в космическом пространстве. Для этих измерений юльзуется огромный арсенал средств, куда входят как классические [боры астрономии и геодезии, так и принципиально новые средства из->ений: радио- и оптические локаторы, дальномеры для наземных и спут-совых измерений, радиотелескопы, радиоинтерферометры со сверхдлинной юй, навигационные системы (в том числе - спутниковые).
Имеющаяся экспериментальная база позволяет выполнять важные на-(но-хозяйственные работы, развивать ряд перспективных научных нап-шений (наземную и космическую геодезию, геофизику, геодинамику), >ающих исключительно важную роль в исследованиях Земли как планеты, ¡мических исследованиях, решении проблем экологии, предсказания зем-"рясений и т.д. В то же время потребности науки и техники, а также [а отраслей народного хозяйства в настоящее время удовлетворяется не шостыо из-за недостаточной точности астрономо-геодезических измере-[. Инструментальные возможности современной измерительной техники в ;рономии и геодезии выросли уже настолько, что основным фактором, >аничивающим точность измерений координат, стало влияние земной ат-¡феры на характеристики электромагнитных волн, переносящих необходи-) информацию в процессе таких измерений.
Атмосферные эффекты при распространении электромагнитных волн от-[аются большим разнообразием, обусловленным сложностью земной атмос->ы как физического объекта. В общем случае земная атмосфера предс-:ляет собой трехмерно-неоднородную среду с изменяющимися во времени •аметрами, показатель (коэффициент) преломления которой содержит ре-ирную и случайную составляющие. Случайная составляющая связана со »хаотическими процессами в атмосфере (атмосферной турбулентностью), [водящими к флуктуациям характеристик электромагнитных волн, вызыва-
- г -
ющим случайные погрешности измерения координат. Современный уровен теории распространения волн в турбулентных средах позволяет использо вать хорошо известные статистические методы минимизации случайных пог решностей.
Что касается регулярных атмосферных эффектов, то применительно : астрономо-геодезическим измерениям они остаются недостаточно изученны ми. Это обусловлено не только сложностью задач точного количественное описания радиофизических эффектов при распространении волн в среде i произвольной регулярной неоднородностью (земной атмосфере), но и сис тематическим характером погрешностей, обусловленных регулярной неодно родностью атмосферы. Несмотря на то, что такие погрешности обычно нам ного превышают случайные, эффективные методы их учета либо исключена в настоящее время все еще продолжают интенсивно разрабатываться.
Наиболее важными регулярными эффектами, приводящими к атмосферньи погрешностям результатов астрономо-геодезических наблюдений, являютс: групповое запаздывание сигнала, связанное с тем, что скорость еп распространения в земной атмосфере не совпадает со скоростью света : вакууме, и рефракционное искривление траектории, по которой распрост раняется сигнал.
Теоретической основой для исследования регулярных атмосферных эф фектов и учета влияния земной атмосферы на результаты астрономо-геодезических измерений является метод геометрической оптики (лучевое приб лижение), существенно развитый для решения таких задач усилиями науч ных школ Ю.А.Кравцова, В.А.Мисюры, С.М.Рытова, В.И.Татарского и ряд, других.
Большое число широко используемых конкретных методов определение атмосферных поправок к результатам астрономо-геодезических измерена разработано учеными Украины и бывшего СССР (А.В.Алексеев, В.А.Андриа нов, Н.А.Арманд, А.Г.Виноградов, В.В.Виноградов, Ю.С.Галкин, А.А.Гени ке, А.Н.Голубев, Б.М.Джуман, Ф.Д.Заблоцкий, М.В.Кабанов, Е.Б.Клюшин М.А.Колосов, И.Г.Колчинский, И.Ф.Куштин, А.С.Медовиков, Н.Т.Миронов Н.Ф.Нелюбин, А.И.Нефедьева, А.Л.Островский, В.И.Пономарев, М.Т.Приле пин, А.В.Шабельников, Г.А.Шануров, З.И.Фейзулин, А.Ю.Яценко, Л.С.Юно шев и другие), а также зарубежными исследователями (J.Askne, H.Baby P.Bender, F.Brunner, J.Davis, C.Gardner, H.Hopfield, J.Marinl J.Murray, H.Nordius, J.Saastamoinen, G.Teleki и другие).
Необходимо отметить, что скалярный вариант лучевого приближения опирающийся на решение лучевых уравнений (ЛУ) геометрической оптик (ГО), позволяет сравнительно простыми средствами провести исследовани, и дать надежные оценки эффектов влияния земной атмосферы в астрономи;
л геодезии. Вместе с тем применение ЛУ для разработки высокоточных алгоритмов расчета корректирующих влияние земной атмосферы поправок к эезультатам астрономо-геодезических измерений наталкивается на серьез-ше трудности. Связано это с тем, что исходные ЛУ ГО представляют со-5ой систему нелинейных дифференциальных уравнений 2-го порядка, точное эешение которой для произвольного трехмерного профиля показателя пре-юмления воздуха (а именно таким профилем характеризуется земная атмосфера) неизвестно. Поэтому современные алгоритмы определения атмосферных поправок в оптическом и радиодиапаеонах опираются на приближение решения ЛУ ГО, полученные в рамках прямой либо обратной задач тео-эии распространения радиоволн.
Разработанные к настоящему времени методы и модели атмосферной соррекции не удовлетворяют современным и перспективным требованиям к сочности измерений в оптическом диапазоне длин волн (например, в слу-1ае дальномерных измерений на приземных трассах в настоящее время эбычно обеспечивается относительная погрешность I-10~6 при требуемой югрешности 1'10-7; при измерении расстояний до искусственных спутников Земли (ИСЗ) может быть обеспечена абсолютная погрешность 1...4 см 1ри требуемой погрешности 0.1...0.5 см; в известных алгоритмах опреде-1ения угла астрономической рефракции достигнута погрешность 0.01" , 5 то время как требуемая погрешность составляет 0.0002...0.0005").
Таким образом, существующий уровень развития теории влияния зем-юй атмосферы на результаты астрономо-геодезических наблюдений не поз-юляет решить проблему повышения точности измерений в астрономии и ге-щезии. Для решения проблемы необходимо привлечение радиофизических (етодов. Следует обратиться к поиску новых принципов решения известных >адач лучевой теории, позволяющих от приближенного рассмотрения узких ¡астных вопросов перейти к разработке общего строгого подхода в иссле-¡ованиях атмосферных эффектов в астрономии и геодезии.
Именно в такой постановке эта проблема и рассматривается в дис-:ертационной работе (см.рис.1), что и определяет актуальность, научное I прикладное значение тейы выполненных исследований.
Предмет исследований - регулярные атмосферные эффекты при расп-юстранении электромагнитных волн оптического диапазона и методы учета ¡лияния земной атмосферы в астрономо-геодезических измерениях.
Связь работы с научными программами, планами, темами. Исследова-1ия _ выполнены в ГНП0 "Метрология" в рамках государственных программ ["Программа фундаментальных исследований по метрологии", "Комплексный грогноз развития системы обеспечения единства измерений в СССР на .986-2005 г.г.) с учетом "Перечня основных направлений по фундамен-
тадьным теоретическим исследованиям в области закрепленных за НП( "Метрология" видов измерений, составленного согласно приказу N171 Госстандарта от 12.05.88, и "Плана работ на 1986-1990 годы по комплексной программе "Определение рефракции оптического и радиодиалазоно] (РОРД)", утвержденного Бюро секции астрометрии Астрономического совет; АН СССР 30.09.87, по ряду тем, в том числе поисковой НИР "Разработка теоретических основ новых методов учета влияния земной атмосферы н< точность измерений больших длин, осуществляемых с помощью электромагнитных волн", НИР "Исследование принципов проектирования и создан» систем координатно-временного обеспечения различных потребителей", выполненной в соответствии с распоряжением Президиума НАН Украины N0077! от 17.08.92 и др.
Проблема повышения точности учета влияния земной атмосферы на результаты астрономо-геодезических измерений, осуществляемых с помощью электромагнитных волн оптического диапазона
Разработка нового метода решения задач лучевой теории распространения электромагнитных волн - метода интегрального лучевого приближения (ИЛП)
Исследование радиофизических эффектов при распространении электромагнитных волн оптического диапазона в земной атмосфере с помощью метода ИЛП
Разработка и исследования высокоточных методов и алгоритмов определения атмосферных поправок к результатам астрономо-геодезических измерений
Рис.1. Проблема и схема ее решения в диссертационной работе.
- б -
Даль и задачи исследования (см. рис. 1). Цель диссертационной работы - создание теоретических основ для решения проблемы повышения точности учета влияния земной атмосферы на результаты астрономо-геодезических измерений, осуществляемых с помощью электромагнитных волн оптического диапазона. Для достижения поставленной цели в работе решаются такие задачи:
1. Разработка и развитие нового метода решения задач лучевой теории электромагнитных волн - метода интегрального лучевого приближения (ИЛП).
2. Выполнение на основе метода ИЛП комплексных теоретических исследований влияния атмосферы Земли на результаты астрономо-геодезических измерений, осуществляемых с помощью электромагнитных волн оптического диапазона, в том числе: изучение атмосферных эффектов в наземной и спутниковой дальнометрии (групповое запаздывание сигнала в трехмерно-неоднородной атмосфере, рефракционное искривление и удлинение лучевых траекторий, пространственный разброс траекторий электромагнитных волн оптического диапазона с различными несущими частотами), развитие методов теории астрономической рефракции ( рефракция в трехмерно-неоднородной атмосфере, рефракционные аномалии, методы расчета астрономической рефракции при произвольных зенитных углах).
3. Разработка и исследование новых методов высокоточной коррекции влияния атмосферы в астрономии и геодезии, удовлетворяющих современным и перспективным требованиям к точности астрономо-геодезических измерений.
Научная новизна полученных результатов. В работе впервые:
1. Разработан новый метод решения задач лучевой оптики неоднородных сред - интегральное лучевое приближение. Характерной особенностью этого метода является переход от дифференциальных лучевых уравнений геометрической оптики к алгебраическим уравнениям для усредненных вдоль лучевых траекторий величин. С использованием интегрального лучевого приближения проведены комплексные теоретические исследования регулярных атмосферных эффектов, связанных с групповым запаздыванием и рефракционным искривлением траекторий электромагнитных волн оптического диапазона, разработаны новые методы учета влияния земной атмосферы на результаты астрономо-геодезических наблюдений.
2. Сформулированы интегральные представления законов преломления геометрооптических лучей, обобщающие на случай трехмерно-неоднородной земной атмосферы законы преломления Снеллиуса и теорему Ориани-Лапласа, известные ранее в одномерной модели. Получены новые аналитические соотношения, устанавливающие связь между удлинением траектории, груп-
- б -
повым (фазовым) запаздыванием электромагнитного сигнала и углом рефракции.
3. Развиты новые методы расчета астрономической рефракции, которые в отличие от известных аналитических методов не требуют вычислена интегралов от функций профиля показателя преломления воздуха. Разработана новая модель зависимости аномалий астрономической рефракции ] трехмерно-неоднородной земной атмосфере от азимута и зенитного угла, < также новый алгоритм вычисления астрономической рефракции в сферически-слоистой атмосфере с произвольной зависимостью показателя преломления воздуха от высоты при произвольных зенитных углах, позволяющий повысить точность определения угла рефракции по данным метеоизмерений ] точке наблюдения (для годичного - 1979 года - набора профилей радиозондирований атмосферы, проведенных на Харьковской метеостанции, точность предложенного алгоритма в диапазоне зенитных углов 0...80° оказалась соответственно в 100...4 раза выше, чем точность Пулковскк таблиц рефракции).
4. Обоснованы и исследованы новые высокоточные теоретические модели и расчетные алгоритмы для определения группового запаздывани! электромагнитных волн в приземном атмосферном слое, позволившие предложить новые методы коррекции группового запаздывания в наземной лазерной дальнометрии, обобщающие и уточняюще известные метод многоточечной аппроксимации и геодезический метод. Разработан и исследова] новый метод определения группового запаздывания оптического сигнала ] спутниковой лазерной дальнометрии. Установлено, что предложенный мето; позволяет получить практически несмещенную оценку атмосферной поправю (для годичного - 1979 года - набора профилей радиозондирований, проведенных на Харьковской метеостанции, систематическая погрешность предложенного метода в диапазоне зенитных углов 0...800 оказалась соответственно в 80...8 раз меньше, чем аналогичная погрешность наиболе» точного из известных методов - метода Марини-Мюррея).
5. Предложены новые теоретические модели и проведены исследовани: рефракционного удлинения траекторий электромагнитных волн в земной атмосфере. Изучено влияние эффекта дополнительного удлинения траектори для трасс с локализованными неоднородностями показателя преломления ! приземном атмосферном слое на точность лазерных дальномерных измерений. Разработаны инструментальные методы определения рефракционно] поправки в геодезической дальнометрии, не требующие информации об истинном вертикальном профиле показателя преломления воздуха либо прив лечения априорных аналитических зависимостей для его описания. Исследовано удлинение траектории электромагнитного сигнала на трансатмос
ферных трассах и предложен новый метод определения поправки, учитывающей этот эффект для спутниковой дальнометрии с погрешностью, не превышающей погрешности наиболее точных методов коррекции группового запаздывания.
6. Проведены исследования и разработаны новые методы учета эффектов регулярного рефракционного пространственного разброса траекторий оптических сигналов с различной несущей частотой при дисперсионных (многоволновых) измерениях расстояний в неоднородной земной атмосфере. Установлен диапазон условий, при которых необходим учет рефракционного разброса. Разработаны новые модификации многоволновых методов лазерной дальнометрии, обеспечивающие аппаратурную коррекцию группового запаздывания с учетом разброса траекторий при относительной погрешности измерения расстояния не выше Ю-7.
Практическое значение полученных результатов. Результаты работы могут быть использованы при разработке средств измерений, применяемых в астрономии и геодезии, а также для методического обеспечения астрономических обсерваторий, станций лазерных спутниковых наблюдений, центров обработки астрометрических данных, предприятий и организаций геодезического и геофизического профиля. Результаты работы могут быть включены в учебные курсы вузов, готовящих специалистов по радиофизике астрономии, геодезии. Полученные в диссертации результаты внедрены в разработанных в ГНПО "Метрология" лазерных системах линейных измерений (результаты разделов 6,7); в методиках измерения среднеинтегрального показателя преломления воздуха, предназначенных для оснащения передвижной поверочной лаборатории в области линейных измерений ППЛ-10, а также для учета влияния земной атмосферы при дальномерных измерениях антенных базисов (результаты разделов 4,7); реализованы в программном средстве для расчета поправок, корректирующих влияние земной атмосферы в астрометрических измерениях (результаты разделов 3,4,5). Использование результатов работы подтверждено актами внедрения.
Обоснованность и достоверность теоретических положений и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечена корректным применением радиофизического подхода к решаемой проблеме, использованием строгих методов теории распространения волн, математического и векторного анализа, вычислительной математики и математической статистики, совпадением результатов численного моделирования по экспериментальным данным с известными из литературы результатами других авторов.
Личшгй вклад соискателя. Часть результатов диссертационных исследований опубликована в работах, выполненных с соавторами. Вклад диссертанта в этих работах состоит в следующем:
- В статьях [16,18,19,22,26,283 - постановка задач; раэрг ботка методов их решения; проведение аналитических расчетов; участие подготовке и проведении численных экспериментов, анализе и интерпретг ции результатов исследований; формулирование выводов и написание текс тов статей.
- В статьях [10,12,21,29] - постановка задач по определению тра екторий электромагнитных волн в регулярно-неоднородной земной атмосфе ре и учету влияния рефракционного пространственного разброса траектс рий электромагнитных волн с различными несущими частотами на точност многоволновых методов измерения расстояний; разработка методов решени поставленных задач; участие в аналитических и численных расчетах, ана лизе и интерпретации результатов; формулирование выводов и написани текстов статей.
- В статьях [15,24,25,27] - постановка задач и разработка методо их решения; участие в аналитических и численных расчетах, анализе интерпретации данных; формулирование выводов; участие в написани текстов статей.
- В статьях [14,20,23,30] - участие в постановке задач, разработ ке методов их решения, проведении аналитических и численных расчетов анализе результатов и формулировании выводов, написании текстов ста тей.
- В обзорных работах [2,11,13,173 - написание разделов о влияни земной атмосферы на точность дальномерных измерений; формулирование анализ проблем, определение перспективных направлений исследований целью разработки высокоточных методов коррекции влияния атмосферы наземной и спутниковой дальнометрии (включая многоволновые методы).
- В монографии [13 - постановка и разработка проблем, касающихс регулярных атмосферных эффектов в дальнометрии (в том числе, разработ ка методов отыскания атмосферных поправок в дальнометрии на основе оп ределения траекторий электромагнитных волн в регулярно-неоднородно земной атмосфере; разработка методов учета пространственного разброс траекторий электромагнитных волн с различными несущими частотами н точность измерений, осуществляемых с помощью дальномеров-рефрактомет ров; разработка методов определения траекторий электромагнитных вол на трассах с локализованными неоднородностями показателя преломлени воздуха), а также разработка методов учета и исключения влияния диф ракционных эффектов, сопровождающих распространение и прием пространс твенно-ограниченных пучков электромагнитного излучения, на точност дальномерных измерений; написание соответствующих разделов монографии
На защиту выносятся:
1. Новый метод решения задач лучевой теории распространения электромагнитных волн в земной атмосфере (интегральное лучевое приближение - ИЛП) и результаты его использования в астрономо-геодезических приложениях.
2. Результаты теоретических исследований астрономической рефракции и ее аномалий методом ИЛИ; новый аналитический критерий применимости теоремы Ориани-Лапласа; новый алгоритм вычисления астрономической рефракции в оптическом диапазоне по наземным метеоданным, точность которого существенно выше точности Пулковских таблиц рефракции (для годичного - 1979 года - набора высотных профилей радиозондирований атмосферы, проведенных на Харьковской метеостанции, достигнуто повышение точности в диапазоне зенитных углов 0...800 в 100...4 раза соответственно) .
3. Разработанные на основе ИЛП новые теоретические модели и алгоритмы определения группового запаздывания оптических сигналов в земной атмосфере: градиентный метод определения среднеинтегрального значения показателя преломления воздуха в наземной дальнометрии (обобщающий и уточняющий известные метод многоточечной аппроксимации и геодезический метод); ИЛП-метод несмещенной оценки атмосферной поправки в спутниковой дальнометрии (для годичного - 1979 года - набора профилей радиозондирований атмосферы, проведенных на Харьковской метеостанции, систематическая погрешность предложенного метода в диапазоне зенитных углов 0.. .80° соответственно в 80...8 раз меньше аналогичной погрешности метода Марини-Мюррея, рекомендованного Международной службой вращения Земли для использования при лазерных наблюдениях ИСЗ ).
4. Новые теоретические модели и результаты исследования удлинения траекторий электромагнитных волн оптического диапазона вследствие рефракции в земной атмосфере. Разработанные на основе ИЛП методы и алгоритмы учета рефракционного удлинения при дальномерных измерениях на приземных и трансатмосферных трассах, точность которых не уступает точности ИЛП-методов и алгоритмов определения группового запаздывания.
5. Результаты теоретических исследований рефракционного пространственного разброса траекторий сигналов с различными оптическими частотами в земной атмосфере и новые методы учета этого эффекта при дисперсионных (многоволновых) измерениях расстояний, позволяющие достичь относительной погрешности Ю-7, удовлетворяющей современным и перспективным требованиям к точности геодезических измерений на приземных трассах.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты,включеннь в диссертацию, представлены и доложены на IV,VI,VIII Всесоюзных Hayv но-технических конференциях молодых ученых и специалистов Госстандарт (соответственно, Харьков,1980; Львов,1985; Новосибирск,1989), V Всесо юзной конференции "Метрология в радиоэлектронике" (Москва,1981), Все союзной конференции "Метрологическое обеспечение измерений частотных спектральных характеристик излучения лазеров" (Харьков,1982), III Все союзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград,1982), VII, VIII, IX X, XI, XII Всесоюзных симпозиумах по распространению лазерного излуче ния в атмосфере (соответственно, Томск,1983; Томск,1985; Красноярск 1987; Якутск,1989; Томск,1991; Томск,1993), Всесоюзной конференции "Метрологическое обеспечение измерений больших длин" (Харьков,1983), Всесоюзном совещании по рефракции электромагнитных волн в атмосфер (Томск,1983), Международном симпозиуме по определению рефракции в оп тической и радиоастрометрии (ПулковоД985), Всесоюзном совещании-семи наре по теоретической метрологии (Москва,1986), III, IV Всесоюзной на учно-технической конференции "Метрология в дальнометрии" (соответст венно, Харьков,1988;1992), Симпозиуме КАЛГ по изучению современных дв: жений земной коры (Дагомыс,1988), Международном симпозиуме "Геодезия ■ сейсмология: деформации и прогноз" (Ереван,1989), Всесоюзной конференции "Радиофизическая информатика" (Москва,1990), XIII Междуведомственном совещании по изучению современных движений земной коры на геодинамических полигонах (Ташкент,1991), III Орловской конференции "Изучен» Земли как планеты методами астрономии, геофизики и геодезии" (Одесса 1992), Международной конференции "Физика в Украине" (Киев,1993), Украинской научно-технической конференции "Метрология и измерительная техника" (Харьков,1995), Украинской научной-технической конференции "Метрология в геодезии" (Харьков,1996), а также на пленарных заседания; комиссии "Измерения больших длин" секции метрологии НТС Госстандарт. СССР (Харьков,1987,1988,1989,1990; Фрунзе,1990; Москва,1991) и на совместном заседании комиссии "Измерения больших длин" и секции 2А Научного совета АН СССР по комплексной программе "Распространение радиоволн", (Москва,1991).
Публикации. Результаты диссертационных исследований отражены в 5: публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 33 работах список которых приведен в конце автореферата [1-33]. Среди этих рабо1 1 монография, 20 статей в рецензируемых периодически выходящих центральных научных журналах (в том числе - 7 статей без соавторов), ' публикаций в научно-технических сборниках и отдельной брошюре, 5 рабо: в трудах крупных всесоюзных и международных конференций и симпозиумов
Объем и сруктура диссертации. Диссертация содержит введение, 7 основных разделов с 11 табл. и 46 рис. (иллюстрации занимают 45 отдельных стр.), заключение, список использованных источников из 296 наименований на 34 стр., 3 приложения на 14 стр. Полный объем 343 стр.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ
Во введении раскрыты сущность и состояние научной проблемы, обос-юваны актуальность выбранной темы и ее научная новизна, сформулирова-ia цель диссертации, показана научная и прикладная значимость проверенных исследований, сформулированы основные результаты и положения, зыносимые на защиту, изложено краткое содержание работы.
Первый раздел содержит обзор литературы и выбор направления исс-1едований. Показана необходимость поиска новых подходов к решению за-1ач теории распространения радиоволн при рассмотрении проблемы влияния земной атмосферы в астрономо-геодезических наблюдениях.
Второй раздел посвящен обоснованию нового метода решения задач 1учевой теории распространения электромагнитных волн - метода ИШ. В этом разделе показано, что известные методы решения дифференциальных 1У ГО недостаточно эффективны в задачах разработки высокоточных алгоритмов определения атмосферных поправок к результатам астрономо-геоде-¡ических измерений.
С целью решения указанных задач предложен и обоснован метод ИЛП, гаторый в большинстве случаев может быть использован как альтернатива гзвестным методам решения ЛУ ГО.
Основной предпосылкой для разработки метода ИЛП является тот )акт, что при решении задач определения интегральных (усредненных |доль лучевых траекторий) характеристик распространения волн информация, содержащаяся в исходных ЛУ, является, вообще говоря, избыточной. ! этих случаях удобнее иметь дело не с дифференциальными ЛУ ГО, ас 1квивалентными им (в смысле идентичности получаемых интегральных ха->актеристик) алгебраическими соотношениями, сформулированными непос-юдственно для усредненных вдоль лучевых траекторий величин. Именно 'акими соотношениями и являются уравнения ИЛП.
Для получения уравнений ИЛП используются первый интеграл ЛУ ГО 'см. Кравцов Ю.А., Орлов Ю.И. Геометрическая оптика 'неоднородных :ред.-М.: Наука.- 1980.-304 с.) D
nLlL - nolo - SVnd6, (1)
О
соотношение для вектора, соединяющего концевые точки искривленного в земной атмосфере участка лучевой траектории. Б
где б - лучевая координата (интегрирование ведется вдоль лучевой траектории);
п = п(т(6)), пг - пг(г(б)) - соответственно фазовый и групповой показатели преломления воздуха;
V - оператор градиента;
г - радиус-вектор (начало координат - в точке выхода луча);
. 1 - бт/бб - орт касательной к лучевой траектории;
О - длина траектории между точками г = О, г - гь, соответствующими лучевым координатам б - 0, б - й-,
О и Ь - индексы, обозначающие величины, определенные соответственно в точках г - 0, г = гь.
Представив интегралы в правых частях (1) - (3) квадратурными формулами Эйлера-Маклорена (см. Березин И.С., Жидков М.П. Методы вычислений.- Ч.1, М.: Наука.- 1966,-632 е.), уравнения ИЛП можно записать в следующем упрощенном (при представлении отрезка интегрирования [0,6] одним участком) виде
гь - У 1<й
(2)
о
и соотношение для группового пути Б
Я - $ пгс?б, О
(3)
Пь1ь - П01о
ЧпО + УпЬ
:—:--О + . ЕА-
2 (2к)1
(Чти™-"]} - *2ш,
+ Упь ш , Вг
-X
(4)
х
(2к-1) _
5
пГ0
(2к-1) _
ПгЬ(2к-1)]| _ ^ (6)
где х(2к_1) = с/2к_1Х/с/б2к-1 - производные нечетных порядков по лучевой координате соответственно от орта касательной к траектории (X - 1), группового (X - пг) или фазового (X - п) показателя преломления воздуха, градиента фазового показателя преломления воздуха (X - Уп);
В2к - числа Бернулли (Во - 1, = -1/2, Вг - 1/6. #4 - -1/30, В6 - 1/42,...);
1?2!гъ Я*2т. /?2ш - остаточные члены формулы Эйлера-Маклорена.
Система уравнений вида (4) - (6) может быть адаптирована как для приземных, так и для трансатмосферных трасс (в частности, соотношения (4) - (6) могут быть обобщены на случай разбиения отрезка интегрирования [0,63 на отдельные участки - этот случай рассмотрен в разделе 4 при анализе группового запаздывания на приземных трассах), и в принципе позволяет с единых позиций рассмотреть весь комплекс проблем, связанных с исследованием и учетом атмосферных факторов в высокоточных астрономо-геодезических измерениях.
Если ограничиться учетом конечного числа слагаемых в правой части (4) и представить это векторное уравнение в проекциях, то получим систему трех алгебраических уравнений для определения трех неизвестных: углов вертикальной а и боковой ад рефракции, а также длины О искривленного в земной атмосфере участка лучевой траектории, которая в рамках ИЖ является одной из количественных характеристик интегральной преломляющей способности земной атмосферы на трассе распространения сигнала. Для наземных геодезических измерений величина К соответствует всей длине траектории, для трансатмосферных трасс - длине искривленного участка траектории, проходящего от точки наблюдения до верхней границы атмосферы (то есть до точки г - гь, где пь = 1, Упь, = = УпьС3)=...=0).
Зная величину О, с помощью (б) нетрудно найти атмосферную поправку Дг, учитывающую отличие скорости распространения сигнала в атмосфере от скорости света в вакууме (групповое запаздывание на трансатмосферной трассе)
Д5 = 5 - 0, (7)
а также поправку 51), учитывающую рефракционное удлинение лучевой траектории. В случае наземных геодезических измерений поправку 8Л можно найти с помощью соотношения
50 = О - |гь1.
(8)
а в случае трансатмосферных трасс - по формуле
50 - О - (гь1ь)• (9)
Среднеинтегральный показатель преломления воздуха <пг>, используемый для учета влияния атмосферы в геодезической дальнометрии, также может быть определен с помощью (6) Б
<пг> = — , (10)
Я
при этом, как показано в разделе 4, в качестве й можно использовать непосредственно результаты дальномерных измерений.
Таким образом, метод ИЛП предполагает переход от дифференциальных ЛУ ГО к алгебраическим соотношениям, связывающим интегральные (усредненные вдоль лучей) величины и некоторые функции метеорологических параметров атмосферы, определяемые в конечном числе точек лучевой траектории. Различные варианты уравнений метода ИЛП использовались в исследованиях, результаты которых изложены в диссертации.
В разделе 2 эти соотношения применены для обоснования новой формы закона преломления электромагнитных волн в земной атмосфере. В отличие от известного закона преломления Снеллиуса, полученный закон справедлив для произвольной трехмерно-неоднородной атмосферы и не только устанавливает связь между значениями показателя преломления воздуха в концевых точках траектории и углами, характеризующими изменение направления луча, но и содержит зависимости от ряда усредненных вдоль луча величин.
В третьем разделе изложены результаты применения метода ИЛП для решения задач теории астрономической рефракции.
Получены обобщения теоремы Ориани-Лапласа для случаев двумерно-неоднородной и трехмерно-неоднородной земной атмосферы в приближении "плоской" Земли. Проведены исследования горизонтальной и боковой аномалий рефракции.
Разработан новый алгоритм расчета астрономической рефракции, учитывающий сферичность Земли и справедливый для произвольных зенитных углов. В рамках сферически-симметричной модели атмосферы получены соотношения для расчета по наземным метеоданным угла рефракции и необходимой для его определения эффективной длины О атмосферного участка лучевой траектории. Установлен новый аналитический критерий применимости теоремы Ориани-Лапласа, справедливый для произвольного высотного профиля показателя преломления воздуха и согласующийся с имеющимися в ли-
тературе данными.
На основе численного эксперимента со 125 высотными профилями радиозондирований, проведенных в течение 1979 года на Харьковской метеостанции (примеры реализации численного эксперимента см. на рис. 2), показано, что средняя для 125 профилей систематическая погрешность определения угла рефракции в рамках разработанной теории может изменяться от 3-1СГ5" при 2 = 30° до 2,1-Ю-3" при 2 -= 70° (см. табл. 1.), что практически соответствует современным и перспективным требованиям к точности учета астрономической рефракции в астрономо-геодезических наблюдениях. В диапазоне углов г<80° каждая составляющая погрешности предложенного метода определения астрономической рефракции по крайней мере в 4...100 раз меньше соответствующих составляющих погрешности Пулковских таблиц рефракции.
Таблица 1. Погрешности определения астрономической рефракции.
Алгоритм расчета Систематическая погрешность," Случайная погрешность,"
2, град г, град
30 70 80 30 70 80
ИЛП Пулково -0,00003 -0.01740 -0,00210 -0,08500 -0,03489 -0,16800 0,00016 0,01700 0,00266 0,06350 0,02230 0,13900
Установлено, что для обеспечения указанных точностей разработанного метода определения астрономической рефракции в эксперименте необходимо измерять метеорологические параметры атмосферы в точке наблюдения с погрешностями, не превышающими 10"2 °С - по температуре, 0,1 мбар - по давлению, 0,3 мбар -по влажности воздуха.
В четвертом разделе проведены исследования группового запаздывания электромагнитных волн в земной атмосфере.
При исследовании известного метода многоточечной аппроксимации рассмотрена задача о влиянии атмосферной турбулентности на точность определения среднеинтегрального показателя преломления воздуха по результатам измерений с помощью системы датчиков метеорологических параметров атмосферы, равномерно размещенных вдоль трассы распространения сигнала. Проведено также исследование методической составляющей погрешности многоточечной аппроксимации среднеинтегрального показателя преломления воздуха, обусловленной заменой непрерывной подынтегральной функции конечным числом ее значений на интервале интегрирования.
Для определения среднеинтегрального показателя преломления возду-
а. — о.1зо£о
0.07490
0.01920
-о.озезо
-0.09220 _
171.6343 181.5005 191.3667 Р, КМ
С1 - 0.02800
-0.12400
-0.27600
-О.42300
-О.50ООО
171.6343 181.5005 191.3667 Р, КМ
Рис. 2. Разность между приближенным а и точным «т значениями астрономической рефракции в зависимости от длины 0 атмосферного участка лучевой траектории (для 125 профилей радиозондирований атмосферы, проведенных на протяжении 1979 г. на метеостанции г. Харькова). Длина волны Л - 0.59 мкм; зенитный угол г - 80°; а) - метод ИЛП; б) - Пулковские таблицы рефракции.
■ ■ • ■
■ • * < 1 1
„
—• ■ • м ■
а) л-
.1 г ». . V."
я " > ■ ш и
б) • - '
а в геодезической дальнометрии предложен новый градиентный метод, азвитый на основе ИЛП, который не только уточняет известный метод ноготочечной аппроксимации, но и обобщает широко применяемый геодези-эский метод А.Л.Островского на случай трехмерно-неоднородной среды.
В рамках численного эксперимента с использованием эксперименталь-¿х данных, полученных на трассе длиной 1 км, показано,что в отличие г метода многоточечной аппроксимации, градиентный метод может обеспечь погрешность <10-7 при измерении локальных значений показателя эеломления воздуха не в 10...20, а лишь в двух - трех точках трассы.
Разработан новый метод определения атмосферной поправки к резуль-атам спутниковых дальномерных измерений по наземным метеоданным. В гличие от известных методов этот метод, получивший название метод ин-згрального лучевого приближения (метод ИЛП), не требует выполнения зловий теоремы статики и справедлив для произвольной трехмерно-неод-зродной атмосферы.
Для исследования точности метода ИЛП и сравнения его с наиболее эчным из известных методов - методом Марини - Мюррея - выполнен чис-знный эксперимент со 125ю профилями радиозондирования атмосферы, порченными в течение 1979 года на метеостанции г. Харькова (примеры ре-шзации численного эксперимента см. на рис. 3). Показано, что метод Ш дает практически несмещенную оценку атмосферной поправки к резуль-1там измерения расстояний до спутников: систематическая погрешность гтода ИЛП в диапазоне углов 2=0...80° соответственно в 80..8 раз ;ныпе, чем систематическая погрешность метода Марини - Мюррея и сос-шляет 0,005...О,32 см (см. табл. 2), что соответствует современным и фспективным требованиям к точности атмосферной коррекции результатов зтрономо-геодезических измерений.
Практическая реализация высоких точностных возможностей метода Ш требует измерений метеопараметров с погрешностями, не превышающи-
Таблица 2. Погрешности определения группового запаздывания и рефракционного удлинения ДО+бО.
)енитный угол, град. 0 30 70 80
¡истемати-[еская пог->ешность, см ИЛП Марини-Мюррей 0,005 0,391 0,006 0,458 0,148 1,401 0,323 2,644
!лучайная гогреш- юсть.см ИЛП Марини-Мюррей 0,228 0,322 0,263 0,372 0,672 0,916 1,615 1,691
(ДЭ + 50 )- 0.01890
-(А8Т+ 50т),м
□.01015 0.00140
-0.00735 -О.01610
91.99310 97.67143 103.3507 О, КМ
(ДБ +50)" 0.03370
-(Л8Г+ 50т), М
0.02335 0.01300
0.00265
-0.00770 гч
91.99210 97.67143 103.3507 и, КМ
Рис. 3. Разность между приближенным ДО + 50 и точным Д5Т+ 50т значениями полной атмосферной поправки к результатам лазерных измерений расстояний до ИСЗ в зависимости от длины Ю атмосферного участка лучевой траектории (для 125 профилей радиозондирований, проведенных на протяжении 1979 г. на метеостанции г. Харькова). Длина волны X « 0.6943 мкм; зенитный угол г = 70°; а) - метод ИЛП; б) -метод Марини-Мюррея.
а)
■ . ■ '"и" " » ■ ■. •«!■
#« ■ • * *
■ ■
б) ■ 1 *
-.ч ■
г _ V ■ ■ ■ ■ * >■ .
■
ми: 0,5°С по температуре, 0,35 мбар по давлению, 0,5 мбар по влажности воздуха.
В пятом разделе исследован эффект рефракционного удлинения траекторий электромагнитных волн в неоднородной земной атмосфере (по сравнению с длиной траектории в однородной среде), разработаны новые методы учета данного эффекта как при наземных, так и при спутниковых даль-номерных измерениях.
Решена задача о рефракционном удлинении траектории электромагнитной волны на трассе с локализованной неоднородностью показателя преломления воздуха. Показано, что в оптическом диапазоне длин волн при наличии локализованной неоднородности с типичными для приземного атмосферного слоя характеристиками рефракционное удлинение может возрасти в 1,5...5 раз в зависимости от места расположения неоднородности на трассе (максимальный рост наблюдается, когда локализованная неоднородность расположена на середине трассы).
Исследовано также влияние атмосферной турбулентности на среднюю траекторию луча и ее рефракционное удлинение.
В рамках ИЛП разработаны новые модели рефракционного удлинения траекторий электромагнитных волн в произвольной плоско-слоистой и трехмерно-неоднородной атмосфере для приземных трасс, произвольно ориентированных по отношению к горизонту. На основе этих моделей предложены новые методы определения рефракционных поправок в геодезической дальнометрии, которые в отличие от известных методов не требуют отыскания истинного профиля показателя преломления воздуха либо использования априорных аналитических моделей этого профиля и могут быть реализованы с помощью измерений, осуществляемых лишь в точке наблюдения.
С помощью ИЛП построена теория рефракционного удлинения траекторий электромагнитных волн на трансатмосферных трассах в трехмерной модели. В случае сферически-слоистой земной атмосферы разработан новый метод определения рефракционной поправки к результатам спутниковых дальномерных измерений по метеоданным, измеренным в точке наблюдения. Точность этого метода исследована с помощью численного эксперимента в разделе 4. Показано, что она не уступает точности разработанного нового метода определения группового запаздывания сигнала на трансатмосферной трассе.
Получены новые аналитические соотношения, устанавливающие неявные взаимные связи между удлинением траектории, групповым (фазовым) запаздыванием электромагнитного сигнала на трансатмосфернсй трассе и углом астрономической рефракции, обеспечивающие возможность определения угловых рефракционных поправок по атмосферным поправкам к результата!,!
измерения расстояний, и наоборот. Известная ранее связь группового запаздывания с углом рефракции, справедливая в сферически-слоистой атмосфере, при небольших зенитных углах, обобщена на случай трехмерно-неоднородной земной атмосферы и произвольных зенитных углов.
В шестом разделе исследован рефракционный пространственный разброс траекторий электромагнитных волн оптического диапазона с различными несущими частотами при их распространении в регулярно-неоднородной земной атмосфере, изучено его влияние на точность дисперсионного (многоволнового) метода измерения расстояний.
Показано, что для двухволнового дисперсионного метода с несущими частотами, соответствующими М -0,44 мкм, = 0,63 мкм, относительная погрешность, обусловленная разбросом траекторий в условиях нормальной рефракции, то есть для вертикального градиента показателя преломления воздуха gn - 2-10~5км-1, не превышает 2-Ю-9 при ¿ < 100 км. Однако, в условиях повышенной (аномальной) рефракции эта погрешность может превышать Ю-7, в частности, для gn - 2-Ю-4™-1 - при ¿>60 км, для gn -8-10~4km_1 - при L>20 км.
В случае трехволнового дисперсионного метода влияние разброса траекторий оказывается гораздо более существенным. Так, для Ai - 0,44 мкм, Лг - 0,63 мкм, Аз = 1,06 мкм относительная погрешность за счет разброса траекторий достигает 10~7 уже для нормальной рефракции (gh -2'10-5км-1) при L>100 км, для аномальной рефракции это значение погрешности достигается на значительно меньших расстояниях: для gh -6-10"5км-1 - при ¿>40 км, для gn - 2-10~4км-1 - при ¿>10 км.
Разработаны алгоритмы учета пространственного разброса (с одновременным учетом удлинения траектории) ка основе добавочных измерений группового пути на дополнительных длинах волн. Предложен W-волновый метод коррекции рефракционного пространственного разброса траекторий с различными длинами волн. Показано, что при ¿<100км практически для любых, встречающихся на практике атмосферных условий (2*10"5km_1 <gn< 2'10-4км-1), инструментальный учет рефракционного разброса траекторий может быть проведен с погрешностью, не превышающей 10~7, уже с помощью шестиволнового метода измерения расстояний. Однако, для реализации такой погрешности инструментальная точность шестиволнового дальномера-рефрактометра должна быть повышена примерно на 4 порядка по сравнению с инструментальной точностью обычного одноволнового дальномера.
Исследована возможность учета рефракционного пространственного разброса траекторий в рамках ИЛП. Разработан алгоритм коррекции такогс разброса для двухволнового метода измерения расстояний, обеспечивающий относительную погрешность, не превышающую 10~7 для L<100км при
§'п<2"10~4км~1, если измерения группового пути, разности групповых путей, интегральной влажности выполняются с погрешностями, всего лишь в 2 раза меньшими, чем погрешности измерения этих величин в отсутствие коррекции, и проводятся дополнительные измерения углов рефракции и зенитных углов, градиентов давления и температуры воздуха в концевых точках трассы. Причем погрешности этих дополнительных измерений не должны превышать (для диапазона расстояний I, - 50...100 км и диапазона изменения вертикального градиента показателя преломления воздуха ^п -2* 10-5км-1'.. .2* 10-4км-1) соответственно: 21,6 мм рт. ст./км.. .0,54 мм рт.ст./км - по градиенту давления; 8 К/км...0,2 К/км - по градиенту температуры; 1"...0,05" - по угловым измерениям.
Седьмой раздел посвящен исследованиям с целью определения требований к аппаратуре и методикам измерений, необходимым для экспериментальной реализации высокоточных методов атмосферной коррекции в геодезической дальнометрии, изученных в предыдущих разделах диссертации.
Исследована возможность учета совместного влияния дискретизации процесса измерений метеопараметров во времени и инерционных свойств измерительной аппаратуры при определении среднеинтегрального показателя преломления воздуха методом точечной аппроксимации.
Построена теоретическая модель для вычисления динамической погрешности £1 измерения локального значения показателя преломления в фиксированной точке трассы, обусловленной вышеуказанными факторами, с учетом корреляции отдельных отсчетов измеряемых величин на интервале дискретизации.
Показано, что динамическую погрешность Е1 можно снизить до значений е1<10"7 путем оптимального выбора параметров аппаратуры и процедуры измерений и не учитывать в итоговой погрешности определения средне-интегрального показателя преломления воздуха.
На основе исследования полной погрешности градиентного метода определения среднеинтегрального показателя преломления воздуха сформулированы требования к его экспериментальной реализации.
Показано, что основной вклад в эту погрешность дает составляющая, обусловленная неточным измерением градиента £ показателя преломления воздуха. Для определения градиента (то есть решения некорректной задачи отыскания производной от функции, дискретные значения которой найдены экспериментально) предложено использовать сглаживающие процедуры в рамках метода конечных разностей.
Исследованы погрешности такой процедуры, включающие составляющую, связанную с переходом от непрерывной функции, определяющей производную, к ее дискретному аналогу, а также составляющую, обусловленную не-
точностью исходных данных. Определены оптимальные расстояния Дх0п' между крайними датчиками, используемыми для измерения градиента прз сглаживании по трем и пяти точкам в случае погрешности исходных данных, типичной для современной аппаратуры (~10~7): для пяти точе: Дхопт*Ю3 м, а для трех точек ДхОпт*102 м.
Показано, что полная погрешность градиентного метода как при пятиточечном, так и при трехточечном сглаживании может быть снижена путем увеличения числа Мп промежуточных точек вдоль трассы, в которые проводятся дополнительные измерения локальных значений показателя преломления воздуха. Для трехгочечной схемы и трасс длиной порядка 1 га эта погрешность не превышает 10~7 уже при ип - 1, 2.
Исследовано влияние дифракционных эффектов, сопровождающих распространение ограниченных пучков лазерного излучения в атмосфере и оптических элементах приемопередающей аппаратуры на точность измерена расстояний двухволновым дальномером-рефрактометром, автоматически учитывающим сухой компонент показателя преломления воздуха.
Показано, что относительную погрешность измерения расстояню дальномером-рефрактометром, обусловленную дифракционными эффектами, можно снизить до значений Ы/1<10~8 и не учитывать при измерениях, если Уф/Гз(1,41'10~3, а/Гз<10~^ (где Гз - фокусное расстояние приемног< объектива дальномера-рефрактометра; (с®, а - полуширина оптическогс пучка и радиус диафрагмы на входе фотодетектора).
В Заключении приведены основные результаты работы.
В приложениях к диссертации приведены детали вычислений коэффициентов разложения в интегральных представлениях лучевых уравнений (Приложение А), список опубликованных изобретений, других, не включенных ] диссертацию работ, содержащих сведения о дальномерных системах высше! точности и методиках атмосферной коррекции, при разработке которых использовались результаты теоретических исследований, выполненных по тематике диссертации (Приложение Б), акты внедрения результатов работы (Приложение В).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1.Одной из актуальных задач теории распространения электромагнитных волн в неоднородных средах в настоящее время является развитие I совершенствование метода геометрической оптики (лучевого приближения] применительно к исследованиям влияния земной атмосферы на астрономо-геодезические наблюдения. Цель таких исследований состоит в созданш теоретических основ для решения проблемы повышения точности учета вли-
яния земной атмосферы на результаты измерений, осуществляемых в астрономии и геодезии с помощью электромагнитных волн, в частности, электромагнитных волн оптического диапазона.
2. В диссертационной работе выполнены комплексные теоретические исследования влияния земной атмосферы на характеристики распространения электромагнитных волн оптического диапазона при высокоточных аст-рономо-геодезических измерениях, разработаны оригинальные методы коррекции результатов таких измерений атмосферными поправками. Проведение подобного цикла исследований стало возможным благодаря использованию нового метода решения задач лучевой оптики неоднородных сред - метода интегрального лучевого приближения (ИЛП), обоснованного в диссертации.
Суть метода ИЛП состоит в переходе от дифференциальных лучевых уравнений геометрической оптики (ЛУ ГО) к их интегральным аналогам, которые на основе использования известных квадратурных формул (в частности, формулы Эйлера-Маклорена) сводятся к алгебраическим соотношениям для усредненных вдоль лучевых траекторий величин. При этом явная зависимость от профиля показателя преломления воздуха уступает место зависимости от показателя преломления в ограниченном числе точек исследуемой трассы, в наиболее простом варианте - в концевых точках , и неявной зависимости от атмосферного профиля через введенные усредненные вдоль лучевых траекторий величины.
3. В результате проведенных на базе ИЛП исследований получены новые решения актуальных задач учета влияния земной атмосферы на астро-номо-геодезические измерения, в том числе:
- Дано обобщение известных законов преломления плоскослоистой и сферически-слоистой сред на случай произвольной слабонеоднородной трехмерной среды. Разработаны принципы применения законов преломления электромагнитных волн в земной атмосфере (полученных в ИЛП) для отыскания атмосферных поправок к результатам дальномерных измерений.
- Получены новые решения известных задач теории астрономической рефракции, позволившие установить аналитические зависимости аномалий астрономической рефракции в трехмерной модели от азимута и зенитного угла, а также от вертикальной, горизонтальной и боковой составляющих градиента показателя преломления воздуха. Обоснован новый аналитический критерий применимости теоремы Ориани-Лапласа. Разработан новый метод расчета астрономической рефракции по наземным метеоданным в сферически-слоистой земной атмосфере при произвольных зенитных углах. Показано, что для зенитных углов 0...800 точность этого метода существенно выше точности известного метода расчета рефракции, основанного на использовании Пулковских таблиц. В частности, для годичного - 1979 года
- набора вертикальных профилей метеозондирований, проведенных на Харьковской метеостанции, для этих углов реализовано повышение точности 1 100...4 раза соответственно).
- Проведены исследования группового запаздывания электромагнитного сигнала в приземном атмосферном слое с целью усовершенствования известных и обоснования новых методов учета этого эффекта при лазерны) дальномерных измерениях на приземных трассах с относительной погрешностью не более 1-Ю-7. Предложен новый (названный градиентным) мето; определения среднеинтегрального показателя преломления воздуха, обобщающий и уточняющий известные геодезический метод и метод многоточечной аппроксимации.
- Исследовано групповое запаздывание электромагнитного сигнала т трансатмосферных трассах, разработан новый метод (метод ИЛП) учетг группового запаздывания в спутниковой дальнометрии. Установлено, чтс метод ИЛП позволяет получать практически несмещенную оценку групповогс запаздывания (для годичного - 1979 года - набора профилей радиозондирований атмосферы, проведенных на Харьковской метеостанции, систематическая погрешность предложенного метода в диапазоне зенитных угло] 0...80° соответственно в 80...8 раз меньше систематической погрешноси метода Марини-Мюррея, рекомендуемого Международной службой вращени Земли для использования при лазерных наблюдениях ИСЗ ).
- Проведены исследования и разработаны новые методы учета рефракционного удлинения траекторий электромагнитных волн в земной атмосфер« при лазерных дальномерных измерениях, в том числе: инструментальны( методы определения рефракционной поправки в геодезической дальнометрии, не требующие информации об истинном высотном профиле показателе преломления воздуха либо привлечения априорных аналитических зависимостей для описания этого профиля, а также новый метод определена данной поправки по наземным метеоданным в спутниковой дальнометрии.
- Изучено влияние атмосферной турбулентности на среднюю траекторию луча й ее рефракционное удлинение, показано, что в случае распространения оптических волн в тропосфере влиянием атмосферной турбулентности на среднею траекторию луча можно пренебречь и не учитывал соответствующую погрешность при анализе точности дальномерных измерений.
- Получены новые соотношения, связывающие рефракционное удлинен» лучевых траекторий на трансатмосферных трассах с групповым запаздыванием, а также с углом астрономической рефракции и параметрами атмосферы в точке наблюдения.
- Проведены исследования и разработаны новые методы учета эффек
тов регулярного рефракционного пространственного разброса траекторий оптических сигналов с различной несущей частотой при дисперсионных (многоволновых) измерениях расстояний в неоднородной земной атмосфере. Установлен диапазон условий, при которых необходим учет рефракционного разброса. Разработаны новые модификации многоволновых методов лазерной дальнометрии, обеспечивающие аппаратурную коррекцию группового запаздывания с учетом разброса траекторий при относительной погрешности измерения расстояния не выше 1СГ7, удовлетворяющей современным и перспективным требованиям к точности измерений.
- Сформулированы требования к практической реализации разработанных методов атмосферной коррекции результатов астрономо-геодезических измерений.
4. Проведенный в рамках диссертационной работы цикл исследований подтвердил целесообразность разработки метода ИЛП и высокую эффективность его использования для решения комплексной проблемы влияния земной атмосферы в асгрономо-геодезических наблюдениях. Выполненные исследования позволили дать теоретическое обоснование перспективных путей решения этой проблемы и получить весомые в практическом отношении результаты, а именно: усовершенствовать известные и предложить новые методы определения астрономической рефракции, а также атмосферных поправок в наземной и спутниковой дальнометрии, которые позволяют удовлетворить современным и перспективным требованиям к точности астроно-мо-геодезических измерений.
5. Использование разработанных в диссертации методов учета влияния земной атмосферы позволит повысить точность измерений в астрономии, наземной и космической геодезии, геофизике, геодинамике и , тем самым, будет способствовать дальнейшему развитию исследований Земли как планеты, космических исследований, решению проблемы предсказания землетрясений, проблемы координатно-временного обеспечения и навигации, решению других важных задач науки, техники и народного хозяйства.
6. В целом, в диссертационной работе решены следующие задачи:
- Разработан и развит новый метод решения задач лучевой теории электромагнитных волн - метод интегрального лучевого приближения.
- На основе метода ИЛП выполнены комплексные теоретические исследования влияния атмосферы Земли на результаты астрономо-геодезических измерений, осуществляемых с помощью электромагнитных волн оптического диапазона.
- Разработан и исследован комплекс новых методов высокоточной коррекции влияния земной атмосферы в астрономии и геодезии, удовлетворяющих современным и перспективным требованиям к точности астроно-
мо-геодезических измерений.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что цель диссертацион ной работы достигнута: созданы теоретические основы для решения проб лемы повышения точности учета влияния земной атмосферы на результат астрономо-геодезических измерений, осуществляемых с помощью электро магнитных волн оптического диапазона.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1.Андрусенко A.M., Данильченко В.П., Прокопов A.B., Пономарев В.И. Лукин И.В. Методы и средства прецизионной лазерной дальнометрии. М.: йзд-во стандартов.- 1987.- 224с.
2.Андрусенко A.M.,Купко B.C..Прокопов A.B..Пономарев В.И. Влияние ат мосферы на точность линейных геодезических измерений // Образцовые и высокоточные средства измерений.- Вып.4.- М.: ВНШКИ.- 1983.-48с
3.Прокопов A.B. Удлинение траекторий электромагнитных волн на трасса с локализованными неоднородностями показателя преломления воздух. // Известия Вузов. Радиофизика.- 1981.- Т.24, N 11.- С.1317-1321.
4.Прокопов A.B. Об интегральном представлении лучевых уравнений reo метрической оптики // Письма в ЖТФ.- 1985.- т.П, вып. 24. С.1526-1529.
5.Прокопов A.B. Закон преломления геометрооптических лучей в трехмер но-неоднородных средах // Письма в ЖТФ.- 1988.- т. 14, вып.2.-С.107-110.
6.Прокопов A.B. К теории астрономической рефракции в трехмерно-неод нородной атмосфере // Оптика атмосферы.- 1991.- т.4, N 10.-С.1025-1029.
7.Прокопов A.B. К теории астрономической рефракции в земной атмосфер' // Оптика атмосферы и океана.- 1995.- т.8, N 8.- С.1206-1212.
8.Прокопов A.B. К учету систематических искажений траекторий оптичес ких лучей в турбулентной атмосфере при лазерных дальномерных изме рениях // Метрология.- 1985.- N 12.- С.14-19.
9.Прокопов О.В. Деяк1 питания метрологП в геодезичнш рефрактометр! // Вiсник геодезН та картографдл.- 1994.- N 1.- С.51-54.
Ю.Андрусенко A.M., Прокопов A.B. Определение траекторий лучей в ат мосфере для вычисления поправок при светодальномерных измерениях / Измерительная техника.- 1981.- N 9.- С.22-23. И.Андрусенко A.M., Данильченко В.П., Купко B.C., Лукин И.В., Прокопо; A.B. Анализ методов учета влияния атмосферных условий на точност: лазерных дальномерных измерений // Измерительная техника.- 1981.
N 10.- С.17-20.
12.Андрусенко A.M., Данильченко В.П., Купко B.C., Лукин И.В., Прокопов A.B. Исследование двухволнового дисперсионного метода измерения расстояний // Измерительная техника.- 1981.- N 11.- С.21-25.
13.Андрусенко A.M., Данильченко В.П., Купко B.C., Петренко Г.Х., Прокопов A.B., Шуляковский Г.И. Определение показателя преломления нестационарного неоднородного приземного слоя атмосферы при высокоточных светодальномерных измерениях // Измерительная техника.-1982.- N 4.- С.19-21.
14.Андрусенко A.M., Мищенко И.А., Пономарев В.И., Прокопов A.B. Исследование погрешности метода точечной аппроксимации среднеинтеграль-ного показателя преломления воздуха при высокоточных дальномерных измерениях // Измерительная техника.- 1986.- N 3.- С.11-14.
15.Прокопов A.B., Ремаев Е.В. Особенности учета регулярной неоднородности атмосферы в рамках многочастотных методов измерения расстояния // Измерительная техника.- 1990.- N 6.- С.16-17.
16.Бражниченко A.B., Прокопов A.B., Ремаев Е.В. Новые методы учета влияния земной атмосферы на точность дальномерных измерений // Измерительная техника,- 1990.- N 10.- С.15-17.
17.Кравченко Н.И..Литовченко В.М..Прокопов A.B. Методы и средства контроля параметров лазерных дальномерных систем для измерения расстояния до спутников//Зарубежная радиоэлектроника.-1989.- N5.-С.59-72.
18.Прокопов А.В.,Ремаев Е.В,Бражниченко A.B. Интегральные теоремы оптической рефракции в трехмерно-неоднородной атмосфере и их геодезические приложения//0птика атмосферы.-1989.- T.2,N 12,- С.1260-1264.
19.Прокопов A.B., Ремаев Е.В. О возможности повышения точности определения астрономической рефракции по наземным метеоданным // Кинематика и физика небесных тел.- 1996.- т. 12, N 3.- С.37-43.
20.Андрусенко A.M..Ганчин В.В.,Мищенко И.А.,Прокопов A.B. Асимптотическая оценка погрешности определения среднеинтегрального показателя преломления воздуха на УВТ 5-84 //Метрология.- 1981.- N1.- С.12-17.
21.Андрусенко A.M., Прокопов A.B., Ремаев Е.В. Анализ требований к инструментальной точности трехволнового дальномера, учитывающего рефракцию // Метрология.- 1987,- N 10.- С.26-29.
22.Миронов Н.Т., Прокопов A.B., Ремаев Е.В. Исследования нового метода учета влияния земной атмосферы при лазерных измерениях расстояний до ИСЗ//Кинематика и физика небесных тел.- 1997.- T.13,N4.- С.89-96.
23.Андрусенко A.M., Мищенко И.А., Прокопов A.B. Исследования методической составляющей погрешности определения среднеинтегрального показателя преломления воздуха на УВТ5-84//Распространение звуковых и
оптических волн в атмосфере.- Томск:ТФ СО АН СССР,- 1988.- С.50-53.
24.Андрусенко A.M., Прокопов A.B., Ремаев Е.В. Методика оценки погрешности определения среднеинтегрального показателя преломления воздуха на Поверочной установке высшей точности УВТ5-84// "Метрология в лазерной дальнометрии".- Харьков: НП0"Метрология".- 1991.- С.34-42.
25.Прокопов A.B., Ремаев Е.В. Инструментальный метод учета рефракции при дальномерных измерениях на наклонных трассах//Дальнометрия и ее метрологическое обеспечение.- Л.: НШ"ВНИИМ им.Д.И.Менделеева".-1987.- С.54-57.
26.Прокопов A.B., Ремаев Е.В. Уравнения геометрической оптики для усредненных вдоль лучей величин и учет рефракции при дальномерных измерениях// Распространение звуковых и оптических волн в атмосфере.-Томск: ТФ СО АН СССР.- 1988.- С.54-61.
27.Андрусенко A.M., Данильченко В.П., Жуванова З.Г., Купко B.C., Прокопов A.B. Влияние дифракционного искажения фазы информационного сигнала на погрешность измерения расстояний дальномером - рефрактометром// Методы и средства измерений в области больших длин.- Л.: изд. НП0"ВНШШ им. Д.И.Менделеева".- 1983.- С.26-33.
28.Бражниченко A.B., Прокопов A.B. Исследование методов оценки систематической составляющей погрешности определения среднеинтегрального показателя преломления воздуха // Вопросы разработки дальномерных систем и их метрологического обеспечения.- Л.: НП0"ВНИИМ им. Д.И.Менделеева".- 1990.- С.33-37.
29.Андрусенко A.M.,Купко В.С..Пономарев В.И..Прокопов A.B..Ремаев Е.В. Эффекты рефракции оптических сигналов при дальномерных измерениях на трассах с однородными и неоднородными подстилающими поверхностями/Материалы VII Всесоюзного симпозиума по распространению лазерного излучения в атмосфере.- Ч.III.- Томск.- ТФ СО АН СССР.- 1986.-С.194-196.
30.Андрусенко A.M.,Мищенко И.А..Пономарев В.И..Прокопов A.B. Методы и средства контроля атмосферной составляющей погрешности определения среднеинтегрального показателя преломления воздуха на приземных трассах//Материалы VIII Всесоюзного симпозиума по распространению лазерного излучения в атмосфере.- Ч.III.- Томск.- ТФ СО АН СССР.-1985.- С.291-293.
31.Прокопов A.B. Новые методы учета трехмерной неоднородности земной атмосферы при коррекции результатов дальномерных и угловых измерений в астрономии и геодезии// Изучение Земли как планеты методами астрономии, геофизики и геодезии. Труды Ш Орловской конференции.-Киев: ГАО НАНУ,- 1994.- С.314-321.
32.Prokopov A.V. The integral theorems of ray optics of three-dimensional inhomogeneous mediums in astronomical refraction theory// Proc.Int. Conf."Physics in Ukraine". Cont.papers. Radiophysics and electronics.- Kiev: Bogolyubov Inst, for Theoretical Physics.-1993.- P.219-222.
33.Прокопов А.В. Интегральные методы лучевой теории в задачах исследования и учета влияния земной атмосферы на точность астрономо-геоде-зических наблюдений//Труды 5 Российского симпозиума "Метрология времени и пространства".- Менделеево: ИМВП ГП "ВНИИФТРИ".- 1994.-С.212-217.
Прокопов 0. В. Метод 1нтегрального променевого наближення в тео-pil електромагн!тних хвиль та його застосування в астрономП i геоде-зП.-Рукопис.
Дисертац1я на здобуття наукового ступени доктора ф1зико-матема-тичних наук за спевдальшстю 01.04.03 - рад^1зика. - Харьк1вський державний ун1верситет М1н1стерства осв1ти Украгни, Харк1в, 1998.
Дисертац1ю присвячено проблем! пЦвшцення T04H0CTi врахування впливу земно! атмосфери на результата астрономо-геодезичних вим1р1в, що здшснюються за допомогою електромагн1тних хвиль оптичного д1алазо-ну. Розроблено новий метод розв'язування задач променево! Teopi'i поши-рення хвиль в неоднор1дних середовшцах, який базуеться на 1нтегральних зображеннях променевих р!внянь геометрично!" оптики (метод 1нтегрально-го променевого наближення). Запропоновано комплекс нових методiB та алгоритм!в врахування атмосферного впливу в астрономП i геодезП, точн1сть яких перевищув точн!сть кращих в1тчизняних та заруб1жних аналогов i задовольняе сучасним i перспективним вимогам.
Ключов! слова: електромагнхтн! хвил!, земна атмосфера, метод 1н-тегрального променевого наближення, астрономо-геодезичн1 вим!ри.
Прокопов A.B. Метод интегрального лучевого приближения в теории электромагнитных волн и его приложения в астрономии и геодезии.- Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика.- Харьковский государственный университет Министерства образования Украины, Харьков, 1998.
Диссертация посвящена проблеме повышения точности учета влияния земной атмосферы на результаты астрономо-геодезических измерений, осу-
ществляемых с помощью электромагнитных волн оптического диапазона Разработан новый метод решения задач лучевой теории распространения волн в неоднородных средах, основанный на интегральных представления лучевых уравнений геометрической оптики (метод интегрального лучевог приближения). Предложен комплекс новых методов и алгоритмов учета ат мосферных влияний в астрономии и геодезии, точность которых превышав точность лучших отечественных и зарубежных аналогов и удовлетворяв современным и перспективным требованиям.
Ключевые слова: электромагнитные волны, земная атмосфера, мето интегрального лучевого приближения, астрономо-геодезические измерения
Prokopov А.V. Integral ray optics approximation method i electromagtnetic wave theory and his applications in astronomy an geodesy.- Manuscript.
Thesis for a doctor's degree by speciality 01.04.03 radiophysics.- Kharkiv State University, Ministry of Education о Ukraine. Kharkiv, 1998.
The dissertation is devoted to problem of accuracy increasing i: allowing for Earth's atmosphere influences on results of astronomi and geodetic measurements performed by electromagnetic waves 1: optical range. A new method of problems solving of the ray optic theory of wave propagation in ingomogeneous mediums is elaborate! which based on integral representation of ray optics equation; (integral ray optics approximation method). The sets of new method; and algorithms for allowing for Earth's atmosphere effects ii astronomy and geodesy are proposed, the accuracy of them is superio: by comparison with best home and foreign analogues and answer t« current and forward-looking requirements.
Key words: electromagnetic waves, Earth's atmosphere, Integra: ray optics approximation method, astronomic and geodetic measurements
Подписано к печати 16.03.98. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2.0. Тираж 100. Зак.№ 69-10.
Напечатано на ризографе ХГПУ 310002, г.Харьков.ул. Фрунзе, 21.
