NZK c.3 /03 - Jong, K.de

Novinky zeměměřické knihovny č.3/2003

*JONG, Kees de*	VÚGTK 48 212
Jaké je počasí na vašem místě? : GPS jako meteorologický senzor
[How Is the Weather at Your Position? : GPS as a Meteorological Sensor]

Přeložil P. Vyskočil (zkráceno).
Zdiby: VÚGTK, 2003. - 2 s.
In: Geoinformatics. - ISSN 1387-0858. - Roč.6, č.2 (2003), s.6-7 : 3 obr. - Res. angl.

Klíčová slova: GPS, meteorologie, ionosféra, troposféra, Galileo, permanentní stanice

Ionosféra

Svrchní část atmosféry mezi 100 až 1000 km nad povrchem Země je ionosféra. Obsahuje volné elektrony, které ovlivňují šíření elektromagnetických signálů vycházejících od družic, jako např. družic GPS. Počet volných elektronů závisí na sluneční aktivitě. V uplynulém roce bylo maximum solárního jedenáctiletého cyklu, který významně ovlivnil kinematiku reálného času (RTK) GPS měření. Naštěstí ionosférické vlivy závisí na frekvenci signálů družice a mohou být virtuálně vyloučeny užitím dvou nebo více různých frekvencí.

Troposféra

Troposféra je spodní část atmosféry. Pro GPS a ostatní radiové systémy určování polohy působí troposférický vliv ve sférické vrstvě, ležící asi 40 km nad Zemí. Obvykle se rozlišuje mezi suchými (hydrostatickými) a vlhkými troposférickými vlivy. První z vlivů je funkcí atmosférického tlaku blízko antény GPS, druhý závisí na teplotě a relativní vlhkosti v samotné atmosféře. Úplný troposférický vliv je inverzně proporcionální sinu výšky družice, pro družici v zenitu je asi 2,5 m. Pro družice na stupni výšky asi 100 dosahuje vliv hodnot 15 m. V zenitu je suché troposférické zpoždění asi 2,3 m a je relativně snadno předpovídatelné, zatímco vlhké zpoždění je řádu 10-20 cm. Vlhké zpoždění je velmi obtížné modelovat pro nepravidelnosti v atmosféře. Třebaže existuje velký počet modelů pro redukci troposférických vlivů pro přesné aplikace. Tyto vlivy musejí být odhadovány spolu s ostatními parametry jako je poloha, odchylky hodin a ambiguity nosiče. Obvykle zenitové úplné zpoždění (ZTD) je parametr, který je odhadován a obsahuje součet suchých a vlhkých zpoždění.

Jakkoli jsou troposférická zpoždění obtížnými parametry pro geodety, jsou velmi užitečné pro meteorology, kteří je mohou užít pro aplikace, jako "numerická předpověď počasí (NWP)" a výzkum a monitorování klimatu. Zejména vlhké troposférické zpoždění je důležité, neboť obsahuje informace o vodních parách v atmosféře, známé jako IWV (Integrovaný vodní výpar) a vyjádřené v kg/m².

Evropská iniciativa

Evropská spolupráce v oblasti vědeckého a technického výzkumu (COST) umožňuje koordinovat národně financovaný výzkum na evropské úrovni, jak je vysvětleno na:

http://cost.cordis.lu/src/whatiscost.cfm

v rámci COST, akce 716, "Využití pozemních GPS pro aplikace klimatu a numerickou předpověď počasí", která začala v roce 1998. Geodeti a meteorologové patnácti evropských zemí se účastní této akce, jejímž prvořadým předmětem je "odhad operačního potenciálu v mezinárodním měřítku při využití pozemních GPS systémů pro poskytnutí pozorování téměř reálného času pro numerickou předpověď počasí a klimatické aplikace".

Test stabilizací

Pro NWP zenitová troposférická zpoždění z globálních a regionálních sítí stanic GPS bylo odhadnuto, konvertováno do IWV a poskytnuto pro zařazení do modelů předpovědi počasí v rámci 1 hod. 45 min. po sběru údajů GPS. V terminologii NWP se tento postup nazývá blízko reálného času. S cílem vidět, zda tato krátká zpoždění byla skutečně vhodná, byl vyvinut a předveden pozemní systém GPS. Soubory údajů z jednotlivých stabilizací systému byly shromážděny během 15 dnů v červnu 2000. První část dvoutýdenní periody byla charakterizována krásným počasím, následovaná silným deštěm s menším oteplením v NWP předpovědi. Údaje GPS byly shromážděny ze 44 stanic a zpracovány offline. Poté byly údaje zpracovány znovu pro získání nejlépe možných výsledků po zpracování pro srovnání s výsledky blízko reálného času. Mimo pozorování GPS byly také shromážděny údaje z 20 radiosond. Na dalším zpracování se podílelo nezávisle sedm analytických center a standardní odchylky od výsledků blízko reálného času byly menší než 4-6 mm.

Předvedení v síti

Jakkoli odchylky ve výsledcích z testu stabilizací vyžadují další výzkum, jsou jeho výsledky natolik slibné, aby bylo možno pokračovat v experimentech v síti blízko reálného času, zahájených v roce 2001. Síť sestává téměř ze 100 permanentních stanic GPS v Evropě. Sedm zpracovatelských center rutinně zpracovává údaje z různých podsouborů této sítě. Požadavku zaslat zenitová úplná zpoždění v 1h 45 min se v současné době podařilo vyhovět z 80%. Vliv zapojení do výsledků zpracování GPS existujících modelů NWP je okrajový. Není to nic překvapujícího, neboť současné NWP modely jsou naladěny na údaje z radiosond, což jsou dosud jediná zařízení, ze kterých jsou k dispozici výsledky pozorování. Lze očekávat, že v budoucnu bude vliv IWW odvozených z GPS vzrůstat ve zdokonalených NWP modelech. Výsledky jsou k dispozici na:

http//www.knmi.nl/samenw/cost716

Vliv modernizovaného GPS a Galileo

V roce 2008 má být v činnosti partner GPS - systém Galileo. Ve stejné době budou k dispozici modernizované signály GPS. Důsledkem toho bude vzrůst počtu družic, který bude pro kombinaci GPS/Galileo dvojnásobný a pozorování budou k dispozici z více jak tří různých frekvencí pro každý systém. Byly proto již učiněny simulační studie s cílem odhadnout troposférické zpoždění pro systém GPS/Galileo. Ukazuje se, že přesnost může být dvojnásobně lepší než současné řešení pomocí samotného GPS.

Závěr

Nicméně nyní, kdy použití pozemních pozorování GPS pro numerickou předpověď počasí je v plenkách, ukazuje se celková koncepce jako slibná. Současná práce je sice zaměřena na Evropu, avšak podobné výzkumy jsou konány v USA a Japonsku. Lze tedy očekávat, že zapojení systémů modernizovaného GPS a Galileo pro určování polohy bude poskytovat i cenné údaje pro úplně odlišný obor, než pro jaký byly původně konstruovány, tj. pro modely předpovědi počasí.