Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Глобальные навигационные системы и одиночные приёмники 23
Способы определения ТЕС 23
Вспомогательные спутниковые системы 26
Ионосферные неоднородности, создаваемые нагревными стендами и регистрируемые одиночными GNSS-приёмниками 27
Способы представления данных ТЕС и NmF2 31
Вейвлет-анализ 31
Корреляционный анализ 35
Применяемые в работе способы обработки данных ТЕС и их особенности Вейвлет-обработка изменений ТЕС 39
Особенности вейвлет-обработки данных искусственных ионосферных нагревов 41
Корреляционный способ обработки данных искусственных ионосферных нагревов 43
Заключение о способах представления данных изменений ТЕС 49
Глава 2. Экспериментальные результаты геостационарных измерений ТЕС по спутникам SBAS 50
Высокочастотная аппаратная погрешность измерений ТЕС 50
Геостационарные измерения наклонного относительного ТЕС 57
Вейвлет-обработка геостационарных измерений ТЕС 63
Заключение о геостационарных навигационных измерениях 68
Глава 3. Экспериментальные данные, полученные с использованием стенда «Сура» 71
Сеанс нагревов с периодом 1 минута. Сверка способов обработки с визуальным анализом 71
Сеанс нагревов с периодом 20 секунд. Сравнение чувствительности способов на слабом эффекте 78
Сеанс нагревов с периодом 15 минут. Пролёт через область нескольких спутников подряд и несимметричный нагрев 84
Спутник GPS PRN 22 86
СпутникГЛОНАСС орбитальный слот 4 91
Спутник GPSPRN18 91
Расположение подионосферных точек спутников после выхода из области нагрева 93 Заключение об измерениях искусственных неоднородностеи стенда «Сура» 94
Заключение. 97
Общая оценка результатов 97
Личное участие в выездных экспериментах 98
Педагогическая практика 99
Производственная инженерно-проектировочная практика 99
Список литературы
- Ионосферные неоднородности, создаваемые нагревными стендами и регистрируемые одиночными GNSS-приёмниками
- Особенности вейвлет-обработки данных искусственных ионосферных нагревов
- Вейвлет-обработка геостационарных измерений ТЕС
- Расположение подионосферных точек спутников после выхода из области
Введение к работе
Актуальность исследования. В настоящее время в связи с широкой технической доступностью активно развиваются глобальные навигационные спутниковые системы (Global Navigation Satellite Systems - GNSS) GPS, ГЛОНАСС, GALILEO, COMPASS/Beidou и вспомогательные подсистемы. На основе приёма сигналов спутников GNSS развиваются и наземные средства для использования в разных отраслях и задачах. Помимо бытовых и промышленных навигационных устройств на основе таких приёмников развиваются и геофизические сети стационарных измерений.
Широкое распространение этих систем приводит к их использованию в новых задачах, требующих улучшения их точности и надёжности. Одним из основных источников ухудшения таких характеристик у приёмников GNSS является среда прохождения радиосигналов - атмосфера. В значительной степени на измеряемые задержки влияет её проводящая область — ионосфера. Кроме сложностей инструментального измерения состояния ионосферы, задача её описания осложняется большой изменчивостью. Ионосфера изменяется под влиянием множества внешних и внутренних факторов. При этом внутренние процессы в ней бывают связаны друг с другом взаимно, так что определить вклад в общее состояние от каждого фактора по отдельности бывает сложно. Поэтому анализ естественной фоновой активности и результатов пробных искусственных воздействий является одной из востребованных задач для совершенствования точности и надёжности работы GNSS.
Наконец, остаются актуальными задачи о распространении радиоволн как резервных каналов дальней связи, поскольку такая связь является направленной, лучше защищённой от помех по сравнению со слабыми сигналами спутников, требующих значительных средств на запуск и поддержание аппаратов в космосе, наилучших средств шифрования при адресном обмене информацией. Знание доступного диапазона частот для направленной связи за горизонтом напрямую зависит от определения актуальных на данный момент параметров ионосферы как отражающей области. Определение актуального состояния ионосферы и их прогнозирование зависит от результатов инструментального исследования фоновых изменений и знания фактической реакции на внешние факторы, подобные пробным воздействиям.
Реальные изменения электронного содержания ионосферы со временем в узких направлениях имеют сложную форму, поэтому развитие способов экспериментального измерения, последующего анализа и представления реальных данных, поиска локальных эффектов и аномалий является задачей востребованной, но зачастую сложной. Сложность связана с тем, что данные об электронном содержании ионосферы, получаемые на базе GNSS-приёмников, могут быть зашумлены и систематически искажены по внутренним аппаратным причинам и внешним условиям радиоприёма. Кроме того, помимо исследуемых явлений в самой ионосфере обычно протекают другие процессы, вносящие свой вклад в данные измерений.
Степень разработанности темы исследования. Исследованием изменений TEC (Total electron content - интегральное электронное содержание луча на спутник) с помощью приёмников GNSS в настоящее время занимается ряд научных коллективов. В работах Е.Л. Афраймовича с коллегами на основе метода радиоинтерферометрии получен ряд новых результатов по применению GPS в исследовании естественных и техногенных возмущений в ионосфере. В работах В.Е. Куницына, Е.Д. Терещенко, Е.С. Андреевой разработаны методы радиотомографии ионосферы, использующие радиосигналы различных навигационных систем для восстановления двумерной и трехмерной структуры неоднородностей электронной концентрации. Вопросам адаптивного моделирования, оценке параметров ионосферы и радиотомографии на основе высокоорбитальных навигационных систем посвящены диссертации и работы И.А. Нестерова, М.А. Кожарина, А.М. Падохина.
Существенный вклад в исследование реакции ионосферы на искусственные воздействия внесли А.В. Гуревич, В.Л. Фролов, G. Milikh и другие.
Способ представления данных TEC с применением вейвлет-обработки на годовых интервалах навигационных измерений используется в работах A. Krankowski, более короткие интервалы изучены с помощью вейвлет- обработки Z. T. Katamzi, N.D. Smith, C. N. Mitchell на основе данных фарадеевского поворота плоскости поляризации радиосигналов. Самые короткие периоды изменений TEC проанализированы вейвлет-обработкой данных навигационных приемников в работах P.T. Jayachandran, K. Hosokawa, K. Shiokawa, Y. Otsuka и др. по сигналам спутников GPS. Корреляционная обработка данных навигационных приемников использована в работах A.K. Gwal, J.S. Shim и других.
Но ввод в эксплуатацию геостационарных навигационных спутников открыл дополнительные возможности для исследования ионосферы. При наличии приемного оборудования последнего поколения и соблюдении технологических условий стало возможным получать новые данные изменений TEC в высоком качестве в постоянных направлениях за время более одного сеанса типичного приема сигналов GPS.
Возможности корреляционной и вейвлет-обработки не нашли широкого применения для экспериментального исследования данных активных ионосферных экспериментов с диагностированием GPS-приемниками. Однако, развитие современной персональной вычислительной техники сделало доступным использование таких представлений в новых ионосферных экспериментах, обеспечивая наибольшую информативность и надежность анализа.
Цели и задачи. Целью работы является исследование возможностей экспериментального определения изменчивости полного электронного содержания фоновой и возмущенной ионосферы с использованием приемников глобальных навигационных спутниковых систем.
Основными задачами для достижения поставленной цели являются: определение высокочастотной погрешности измерения TEC приёмниками GNSS разных производителей навигационных чипов: Javad, Leica, Ashtech, Trimble; определение амплитуды естественных фоновых изменений TEC, используя данные о задержках радиосигналов геостационарных спутников GNSS; определение амплитуды изменений TEC, вызываемых искусственными нагревами на базе стенда «Сура».
Объектом исследования является ионосфера Земли. Предметом исследования являются изменения TEC, существующие в естественных фоновых и искусственно возмущенных условиях в направлениях отдельных навигационных спутников.
Научная новизна. В работе впервые продемонстрированы изменения TEC по данным задержек двухчастотных и одночастотных геостационарных навигационных спутников системы SBAS (Satellite-based augmentation system - подсистема вспомогательных геостационарных навигационных спутников) с помощью стандартных GNSS-приёмников с использованием вейвлет- обработки.
В работе впервые применена вейвлет-обработка данных TEC отдельных пролётов спутников GNSS, направления которых пересекали искусственные ионосферные возмущения.
В работе выработан и проверен способ обработки таких данных специальным представлением корреляционного алгоритма с учётом неизвестной фактической инерционности изменений TEC. Показана возможность оценить время отставания изменений TEC от искусственных нагревов с точностью до целого числа периодов нагрева.
В работе впервые обнаружены изменения характеристик качества сигналов GNSS (величина кодового «отношения сигнал/шум» по стандарту RINEX) под действием искусственных ионосферных нагревов.
Теоретическая и практическая значимость работы. В работе показана дополнительная аппаратная возможность стандартных двухчастотных GNSS- приёмников для использования в ионосферных исследованиях геостационарных спутников SBAS - как двухчастотных, так и одночастотных. В отличие от широко распространённого способа мониторинга ионосферы с использованием высокоорбитальных спутников GNSS, аналогичные геостационарные измерения могут быть использованы для дополнения информацией о состоянии ионосферы в постоянных направлениях. Использование геостационарных спутников для составления промежуточных карт изменений TEC в интервалы между решением основных расчётных задач может сделать мониторинг ионосферы более оперативным.
Помимо прямого анализа изменений TEC в работе используются и другие способы представления данных. Применение вейвлет- и корреляционной обработки в отдельных случаях позволяет более надёжно выделять ожидаемый эффект на фоне посторонних изменений, наводимых влиянием других процессов в ионосфере.
В работе показано, как изменяются результаты анализа данных TEC в зависимости от настроек и параметров обработки, что тоже бывает существенным для интерпретации результатов.
Методология и методы исследования. В работе используются
экспериментальные данные, рассматриваются практические результаты
измерений относительного TEC с помощью одиночных приемников
высокоорбитальных навигационных систем. Используются данные задержек
новых геостационарных навигационных спутников для исследования естественных изменений TEC с периодами несколько минут и меньше. К данным применяется вейвлет-обработка для анализа спектрального состава колебаний и его изменения за несколько часов.
Используются экспериментальные данные приемников высокоорбитальных навигационных систем, полученные во время активных воздействий нагревного стенда на ионосферу. К полученным данным применяется вейвлет-обработка и специальное представление корреляционной обработки. Вейвлет-обработка используется для определения периодов изменений TEC и времени появления и исчезновения колебаний, чтобы сравнить с ожидаемыми в соответствии с режимом модуляции нагрева и временем пересечения направлением спутника нагретой области. Корреляционная обработка используется для обнаружения связи работы нагревного стенда с изменениями TEC и определения времени отставания реакции ионосферы от начала каждого цикла нагрева. Время начала и окончания эффекта на корреляционной картине сравнивается с временем пересечения направлением спутника нагретой области.
Положения, выносимые на защиту
-
Установлено, что высокочастотная погрешность измерения TEC проанализированных современных приёмников GNSS (Javad, Leica,
Trimble, Ashtech) имеет различия ~10-3 TECU на периодах менее 15 секунд.
-
Установлено в серии экспериментов 2009-2012 гг. (4 экспедиции МГУ и 1 И11 при участии автора), что TEC искусственных ионосферных неоднородностей, создаваемых стендом «Сура» при коротких периодах модуляции (минута и менее) и регистрируемых по задержкам сигналов GNSS, отличался от фонового, как правило, на ~0,01 TECU.
-
Экспериментально установлено, что нагрев стенда «Сура» способен понижать кодовое «отношение сигнал/шум» (по стандарту RINEX) сигналов спутников GPS на 5-10 дБТц в возмущенной области и вблизи нее только на прецизионных кодах. Система ГЛОНАСС проявила лучшую устойчивость к нагревному воздействию. Устойчивость кода захвата GPS и всех кодов ГЛОНАСС может быть связана с их низкими тактовыми частотами.
-
Экспериментально установлено, что в спокойной геомагнитной обстановке спектр естественных изменений TEC в геостационарных направлениях содержит компоненты в основном с амплитудой ~0,4 TECU. Спектр содержит компоненты с непрерывно меняющимся периодом от десятков секунд до 8 минут, а также компоненты с постоянными периодами и переменными амплитудами.
Степень достоверности и апробация результатов. Результаты, полученные в работе, не обнаружили внутренних противоречий и согласуются с работами других авторов, полученных на других типах спутников (традиционные GPS) и других ионосферных нагревных стендах (HAARP) с точностью до специфики используемого экспериментального оборудования.
Результаты работы докладывались на российских и международных конференциях:
-
-
European Geosciences Union (EGU) General Assembly 2010, Geophysical Research Abstracts, Vol. 12, EGU2010-5799-2, 2010
-
Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS), Xi'an, China, March 22-26, 2010
-
Ломоносовские чтения, Секция физики. МГУ, апрель 2010
-
XIII Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн», Йошкар-Ола, 23-26 мая 2011, Том II, стр. 247-250.
-
Международная научная конференция Таганрог-Дивноморское. Излучение и рассеяние электромагнитных волн, 2011
-
Конференция молодых ученых ИПГ, посвященная 100-летию со дня рождения академика Е.К. Фёдорова. ИПГ 2009
-
XVII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». МГУ 2010
-
Конференция молодых ученых, посвященная 55-летию Института прикладной геофизики имени академика Е.К.Федорова. ИПГ 2011
-
XVIII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». МГУ 2011
-
11-я Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи «Баксанская молодёжная школа по экспериментальной и теоретической физике». КБГУ, Приэльбрусье 2010
-
Девятая Всероссийская Открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса (Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов)», ИКИ РАН 2011
Личный вклад автора. Основные результаты диссертации являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии.
Автору принадлежат:
исследование точностных характеристик приемников GNSS по величине TEC,
-
алгоритмы и программы анализа изменчивости спектрального состава данных TEC в направлении геостационарных навигационных спутников,
-
алгоритмы и программы корреляционного анализа данных TEC в экспериментах искусственных нагревов.
По теме диссертации опубликовано 11 работ в российских и зарубежных изданиях, из них 2 по списку ВАК. Одна статья принята в печать в издании по списку ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы. Работа 116 страниц текста, 30 рисунков, 5 таблиц.
Ионосферные неоднородности, создаваемые нагревными стендами и регистрируемые одиночными GNSS-приёмниками
Помимо основных навигационных спутников, существуют вспомогательные - геостационарные (система SBAS, Satellite-Base Augmentation System) и квазизенитные (система QZSS, Quazi-Zenith Satellite System). Система SBAS главным образом предназначена для передачи карт ионосферных поправок подвижным пользовательским приёмникам. Такие поправки необходимы преимущественно одночастотным приёмникам, не имеющим возможности самостоятельно учесть ионосферный вклад в свои индивидуальные измерения.
Такие подсистемы существуют в нескольких регионах - в США (WAAS), Европейском союзе (EGNOS), Индии (GAGAN) и Японии (MSAT). Идёт развёртывание такой системы в России (СДКМ, спутники «Луч»).
Исследование ионосферы по задержкам сигналов таких спутников в некоторых случаях оказывается удобным для определения изменений ТЕС в постоянных направлениях. В связи с этим, в ходе работы произведён поиск подходящих способов определения ТЕС помимо основной функции передачи карт такими спутниками.
Поскольку большинство спутников системы SBAS (кроме WAAS) работают только на одной частоте, выделение ионосферного вклада традиционным двухчастотным способом невозможно, однако существует одночастотный способ. Одночастотный способ основан на разнице фазовой и кодовой (групповой) задержек, поскольку они отличаются друг от друга также благодаря дисперсионным свойствам заряженных областей среды. Кроме того, одночастотный способ легко получить из двухчастотного путём арифметического комбинирования выражений для ТЕС по фазовым и кодовым измерениям с подстановкой одинаковых частот [21]: TECLl + constLX = 05-4—ffi "hh) 40.308 (L2), где ТЕСи - полное электронное содержание на наклонном пути радиосигнала, const и - константа фазовой неопределённости (целое число циклов),/} — значение несущей частоты, Lj - фазовая задержка радиосигнала, Pi - групповая задержка радиосигнала, Л] - длина волны несущей частоты.
Использование зашумлённых данных кодовых задержек в таком способе сильно снижает его точность для определения изменений ТЕС, однако постоянство направлений даёт возможность применять при необходимости сглаживание и исследовать отфильтрованные долговременные изменения.
Кроме ограничения, связанного с шумностью информации, получаемой для коротких периодов, существуют и другие ограничения к применению таких спутников для радиозондирования. В частности, геостационарные спутники могут находиться только в плоскости экватора, что при измерениях приёмниками, расположенными в средних и высоких широтах, приводит к низким углам над горизонтом и большому продольному пути в ионосфере.
При всех ограничениях, такой способ измерения возможен и в отдельных случаях может быть использован для дополнительной проверки результатов, получаемых с помощью основных высокоорбитальных систем.
Ионосферные неоднородности, создаваемые нагревными стендами и регистрируемые одиночными GNSS-приёмниками
Помимо ионосферных неоднородностей и процессов, вызываемых естественными внутренними и внешними причинами, известны и установки для проведения активных ионосферных экспериментов. Например, в публикации [76] рассматривается серия искусственных нагревов ионосферы. Работа посвящена экспериментальному подтверждению возможности влияния мощного воздействия KB-радиоволнами на ионосферу (область F2) и на связанные с ионосферой задержки сигналов спутников GPS.
Во время экспериментов использовалась несущая частота нагрева стендом HAARP (High Auroral Active Research Program, Gakona), близкая к утроенной гирочастоте электронов в области F2. Такой выбор частоты по мнению авторов наиболее эффективен и удобен для генерации мелких ионосферных неоднородностей, способных рассеивать сигналы GPS в L-диапазоне радиоволн.
В указанной работе проведена целая кампания (5 дней) аналогичных нагревов. Рисунок 1.2 демонстрирует схему эксперимента. Х .Спутник GNSS GNSS-приёмник Нагревный стенд
Нагрев производился длительностью 10 секунд с паузами по 10 секунд. В последние 5 минут эксперимента модуляцию переключали на период 0,2 секунды с равной паузой. Диагностика нагрева производилась двухчастотным GPS-приёмником Ashtech Z-FX, расположенным на полигоне. Двухчастотные фазовые измерения приводились в конечном счёте по разности фаз в циклах, а точнее — по изменениям относительной величины такой разности. Таким образом, начальное значение, включающее фазовую неопределённость, оставлено неизвестным и формально выставлялось на ноль к началу измерений. Определение абсолютного значения ТЕС на основе таких измерений прямым способом не производится.
Данные подвергались обработке спектральными фильтрами, пропускающими только высокочастотные изменения ТЕС. Это позволяет увидеть слабые короткопериодные изменения на фоне общего наклона участка дуги ТЕС данного пролёта спутника. Фильтрация в данной работе производится против изменений ТЕС с периодом более 40 секунд.
Такой эксперимент оказался успешным в четырёх из шести проведённых сеансов. Первые 4-5 минут в положительных случаях успешно наблюдался период изменений ТЕС 20 секунд, соответствующий периоду нагревов, а последующее исчезновение эффекта объясняется ухудшением соответствия по требованию к несущей частоте нагрева для наиболее эффективного воздействия.
Особенности вейвлет-обработки данных искусственных ионосферных нагревов
Для другого приводимого в работе [55] примера представление самих рядов значений NmF2 также не явилось информативным. На представленных графиках видно, что при кросскорреляционной обработке есть отчётливый минимум, где значение функции падает примерно с 0,7 до уровня ниже 0,5 в единственный день (24 марта) из приведённого интервала, за один день до самого сейсмического события 25 марта, а за 6 дней (19 марта) её значение тоже падало, но до уровня 0,65.
Анализ статистики по большим интервалам отсутствия землетрясений с целью гарантировать падение кросскорреляционной функции, например, ниже уровня 0,6 как исключительный предвестник землетрясения за 1 -3 дня остаётся за рамками указанной публикации, однако само предложение подобного анализа может оказаться важным шагом для определения направления дальнейших исследований. Авторы указывают на статистику 1-5 дней как интервал появления таких возможных аномалий по результатам более широкого анализа, не приведённого в публикации.
В работе [92] производится детальный анализ корреляций изменчивости ТЕС в соседние дни между разными измерительными станциями.
В указанной работе за основу изменчивости берутся данные ТЕС с мировой сети GNSS-измерений (более тысячи станций из сети IGS) за четыре 30-дневных интервала 2004 года.
В работе авторы отмечают значительную связь между магнитосопряжёнными точками, и такая связь проявляется больше на низких широтах (г = 0,63-0,73), чем на средних широтах (г = 0,32-0,43).
Типичная длина корреляции, т.е. удаление, на котором коэффициент корреляции падает до 0,7, оказалась больше на средних широтах, чем на низких. Угловое расстояние меридиональной корреляции составляет около 7 градусов в средних широтах и 4 градусов в низких. Аналогичная зональная длина корреляции оценивается в 20 градусов в средних широтах и 11 градусов в низких. Длины корреляций больше в дневное время (11-13 часов местного времени), чем в ночное (23-1 час местного времени). Кроме того, авторы отмечают, что пространственная корреляция сильно зависит от сезона.
Рамки применимости корреляционного способа обработки данных ТЕС ограничены. В частности, одним из условий для корреляционной обработки является подчинение каждой из коррелируемых величин закону нормального распределения. Подобному исследованию посвящена работа [100], где подробно экспериментально проверены несколько статистических распределений для ТЕС и сделаны выводы о наиболее подходящем из них.
Авторы предположили возможные функции плотности вероятности для распределения значений ТЕС (напряжение Рэлея, мощность Рэлея, логнормальное, распределение Вейбулла (Weibull) и К-распределение соотвественно). Логнормальное распределением имеет следующий вид: p(x,ju,a)= , ехр х-уіяст v -2 J (1.9) где 0 х оо, ajj.- параметры распределений, T(v) - гамма-функция, a Kv — функция Бесселя. По итогам исследования авторы заключают, что для средних и экваториальных широт наиболее подходящим для ТЕС является логнормальное распределение плотности вероятности. Нормальное распределение: , Ґ ( Л2\ (1.10) v р(х,/л,ст)= . ехр л/2;гсг2 связано с логнормальным через логарифм исследуемой величины, т.е. если случайная величина имеет логнормальное распределение, то её логарифм имеет нормальное распределение.
С одной стороны, логнормальное распределение не является нормальным, однако во многом близко к нормальному для небольших отклонений, где логарифм приблизительно равен самой величине, стоящей в качестве аргумента. Таким образом, применение корреляционной обработки для рядов данных ТЕС возможно, но такая обработка будет иметь статистическую погрешность, связанную с отличием логнормального распределения от нормального, даже если такая погрешность невелика. Подобная черта встречается у большинства реальных измерений, не подчиняющихся в точности нормальному закону распределения, но и не отличающихся от него принципиально по основной площади, занимаемой гистограммой.
Применяемые в работе способы обработки данных ТЕС и их особенности
Ввиду низкой надёжности визуальной оценки, а также для более объективного анализа результатов по данным ТЕС в исследуемых случаях было принято решение строить картины дополнительной цифровой постобработки. Современная вычислительная техника, включая даже персональные компьютеры, позволяет самостоятельно разработать и использовать алгоритмы различных известных преобразований.
Вейвлет-обработка изменений ТЕС
Для простоты написания алгоритма, полноты получаемой картины и универсальности для представления и анализа данных ТЕС было выбрано непрерывное вейвлет-преобразование. Такой выбор характерен именно для научных исследований в конкретных непродолжительных экспериментах в отличие от производственных решений, где скорость счёта имеет нередко решающее влияние при альтернативном выборе. Вид преобразования представляется формулой:
Вейвлет-обработка геостационарных измерений ТЕС
На рисунках видна структура спектральной неоднородности в области отметок 20:00 - 21:00, проявляющаяся в периодах колебаний от коротких до 7-8 минутных. Внутренняя структура эффекта в виде нескольких отдельных спектральных линий лучше видна в направлении спутника SB AS PRN 138. Разница в детализации оказалась довольно большой, хотя спутники отличаются только долготой точки стояния, и то оба представляют южные направления. Это может свидетельствовать о различной структуре мелких ионосферных неоднородностей на разных магнитных меридианах. Структурирование ионосферы преимущественно вдоль магнитных меридианов может объясняться перемещением заряженных частиц вдоль силовых линий магнитного поля без совершения работы против магнитного поля и может происходить свободно под действием даже слабых внешних воздействий.
На картине для SB AS PRN 138 наблюдается не просто изменяющийся период колебаний, а четыре отчётливых линии - две возрастающих и две убывающих по периодам. Более того, начинаясь с коротких периодов, возрастающие линии изменяют свой наклон, доходя ближе к концу до вертикальных направлений - устремляя период колебаний к неограниченно большому, но обрываясь на уровне около 8 минут. Такой же процесс происходит и с убывающими линиями в обратном порядке.
Поведение подобного рода можно пробовать объяснить замедлением движения, остановкой и последующим возобновлением движения ионосферных неоднородностей, имеющих постоянную внутреннюю периодическую структуру. Пересекая направление данного спутника, и замедляясь, их неравномерное движение приводит к кажущемуся увеличению периода изменений ТЕС на Рисунок 2.7 — Вейвлет-обработка изменений ТЕС по задержкам геостационарных навигационных спутников SB AS PRN 135 (верхний) и PRN 138 (нижний) в масштабе предельно коротких периодов, единицы TECU. США, Калифорния, штаб-квартира Javad, приёмник Javad Triumph 1, 17 июня 2009, время мировое На рисунке для спутника PRN 135 отчётливо виден постоянный период около 20 секунд (уровень периодов 0,36 минуты). Но амплитуда таких колебаний не является постоянной, а возрастает около 6 раз за приведённый интервал 8,5 часов наблюдений. Это может быть связано с изменяющейся активностью источника волн такого периода или с прохождением ионосферной неоднородности, имеющей периодическую структуру с разной электронной концентрацией. На рисунке для спутника PRN 138 стали не только более чётко видны четыре основных линии, но стали видны и ещё не менее двух слабых, но аналогичных линий (между отметками 16:00 и 18:00).
Вообще говоря, для объяснения подобного эффекта изменяющихся периодов могут быть использованы и другие физические представления. Например, такое изменение периодов может происходить не из-за движения неоднородностей в пространстве с переменной скоростью, а из-за изменения периодов колебаний значений ТЕС в одном и том же месте. Однако тогда для обоснования всей наблюдаемой картины придётся в таком случае привлечь и другие физические представления, почему изменения происходят похожим образом сначала в сторону возрастания периодов, а потом - точно такие же в сторону убывания.
Трёхчасовой индекс Кр по данным космических телескопов ТЕСИС [124] приведён на рисунке 2.8.
Из рисунка видно, что Кр-индекс на время изменений естественных изменений ТЕС с помощью геостационарных навигационных спутников WAAS не превышал значения 2, геомагнитная обстановка была спокойной. Рисунок 2.8 — Трехчасовой индекс Кр на 17 июня 2009 г. и ближайшие дни. Заключение о геостационарных навигационных измерениях Из приведённых результатов вычислений видно, что различия погрешностей аналогичных приёмников GNSS составляют 10"3 TECU (на периодах менее 15 сек). Статистическая обработка или сглаживание за более долгие периоды изменений ТЕС позволит получать точность измерений лучше, чем 103TECU.
Проведённые измерения естественных ионосферных неоднородностей по сигналам геостационарных спутников WAAS, принимаемых GNSS-приёмниками, продемонстрировали случай, когда форма линии суточного хода ТЕС представляет собой дневную постоянную и ночной минимум (с разницей порядка 6 TECU, что подтверждалось для такого спокойного дня по картам мировых распределений). В другом случае, при расчёте по задержкам сигналов спутника индийской системы GAG AN суточный ход ТЕС (с размахом порядка 50 TECU) показал более простую связь с изменением погрешности определения координат.
Совпадение дневного повышения ТЕС с ростом погрешности определения координат может быть связано с появлением днём неоднородностей ТЕС, способных вызывать разные изменения задержек сигналов в разных направлениях и приводящих к расходимости алгоритмов одночастотного вычисления координат.
По результатам измерений задержек сигналов двух японских геостационарных спутников MSAT выявлен не только естественный суточный ход (с размахом порядка 10 TECU), связанный с дневной солнечной активностью, но и разное поведение этих двух направлений после 20 часов UTC (6 сентября 2010 г.). Такой расхождение двух направлений может быть связано с существованием в то время ионосферной неоднородности, понизившей не только ТЕС в направлении спутника SB AS PRN 137, но и точность определения координат одночастотным способом.
Кроме того, специфичное поведение присутствует в середине картины (небольшой рост до вечернего снижения, крутой наклон вечернего снижения и незначительный рост в начале ночи) также может быть связано с прохождением в это время крупной ионосферной неоднородности, подействовавшей в это время и на точность определения координат одночастотным способом.
Расположение подионосферных точек спутников после выхода из области
На рисунках отчётливо видно среднее снижение отношения сигнал/шум, но только на Р-кодах. Падение такого отношения практически однозначно связано с режимом нагревов, причём касается несколько большей области, чем в пределах оценочных размеров нагретой области. Сам по себе такой эффект может казаться на первый взгляд парадоксальным, поскольку влияние ионосферы и её даже сильных возмущений, наблюдаемых во время повышенной солнечной активности, не может приводить к значительному влиянию на радиоволны в гигагерцовом диапазоне, используемом в GNSS.
Размеры нагретой области, и её смежных областей, также подверженных прямому или косвенному воздействию, определить относительно трудно. Поэтому трудно сказать, является ли этот эффект последствием прямого нагрева в пределах диаграммы направленности или он вызван промежуточным механизмом, возникающим в ионосфере во время нагрева. Таким образом, наблюдение амплитудного эффекта в небольшой области за рамками нагретой области, не отрицает связи эффекта с искусственным возмущением.
Тот факт, что падение величины отношения наблюдается только на Р-кодах, и не наблюдается на коде захвата (СА), наталкивает на более детальное рассмотрение эффекта. Прежде всего, в таком случае играет важную роль само содержание величины отношения сигнала к шуму.
Эта величина применяется в ионосферных исследованиях крайне редко. Главным образом, она применяется в прикладных направлениях работ. Например, для определения качества сигнала, принятия решения, использовать ли данное измерение в решении задачи навигации или отбросить при низких значениях как заведомо неточное и ненадёжное.
По результатам обращения к специалистам производителя (корпорация Javad) была получена информация о том, что величина отношения сигнал/шум включает в себя не только характеристики несущей частоты и удельную частотную чувствительность, но и корреляцию принятой псевдослучайной последовательности с эталонной. Такой подход вполне оправдан для использования такой величины в целях оценки качества сигнала, поскольку включает в себя не только амплитуду несущей частоты, но и степень искажения кодовых данных, которые могут повлиять на погрешность измерения псевдодальностей. Изменение этой величины может быть признаком изменения одной или двух характеристик сигнала - падением амплитуды сигнала, и более часто - искажением кодового содержания (псевдослучайной последовательности).
Тактовая частота у СА- и Р-кодов существенно отличается. У кода захвата (СА) тактовая частота на порядок меньше, поэтому он считается более надёжным, но менее точным для определения групповых задержек радиосигналов. Поэтому он используется, главным образом, только для первичного захвата сигнала и дальнейшего слежения или для получения более надёжных результатов решения задачи навигации, если измерения по Р-кодам оказались недоступными.
Учитывая эти две особенности - отличия тактовых частот кодов и участие кодовых корреляционных характеристик в отношении сигнал/шум - можно объяснить существование обнаруженного амплитудного эффекта нагревов на разных кодах одной несущей частоты. Возмущение ионосферы в области нагрева, приводящее, по-видимому, к искажению формы сигналов (бифазных манипуляций), влечёт за собой большее расхождение между принимаемой псевдослучайной последовательностью и эталонной. Такое большее расхождение влечёт за собой уменьшению величины отношения сигнал/шум в части, относящейся к корреляционным кодовым характеристикам.
Это не раскрывает полностью сути процессов, происходящих в ионосфере при искусственном нагреве и приводящих к искажению формы импульсов сигналов спутников, однако может дать повод к дальнейшим исследованиям и послужить базой для развития теоретических представлений, тем более, ввиду отличия эффекта для разных тактовых частот.
Спутник ГЛОНАСС орбитальный слот 4 Связь нагрева с изменением величины отношения сигнал/шум в случае спутника ГЛОНАСС орбитальный слот 4 (частотный канал +6) оказалась такой отчётливой. По сравнению со случаем, рассмотренным ранее на примере спутника GPS, такое отличие можно объяснить отличием тактовых частот кодирования псевдослучайными последовательностями у спутников ГЛОНАСС и GPS. Независимо от того, что спутники ГЛОНАСС используют частотное разделение для идентификации разных аппаратов между собой, эта орбитальная группировка тоже использует кодирование сигналов псевдослучайным кодом, общим для всей орбитальной группировки. Её тактовая частота по коду захвата (0,511 Мбит/с) почти в два раза меньше, чем у кода захвата GPS (1,023 Мбит/с). Меньшая тактовая частота объясняет меньшее влияние искусственного нагрева на форму сигналов спутников ГЛОНАСС, как это показано выше разным влиянием на СА- и Р-коды спутников GPS (отличающихся по тактовой частоте в 10 раз).
Похожие диссертации на Экспериментальное определение изменчивости полного электронного содержания фоновой и возмущенной ионосферы с использованием приемников глобальных навигационных спутниковых систем
-
