Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Использование системы GPS в качестве инструмента для исследования верхней атмосферы Земли 19
1.1. Мониторинг ионосферы с использованием искусственных спутников Земли 19
1.2. Общие сведения о навигационной системе GPS 21
1.3. Расчет направляющих углов луча «приемник-спутник» 23
1.4. Алгоритм расчета координат ионосферной и подионосферной точек 23
1.5. Расчет ПЭС по данным GPS-приемников 25
1.6. Преобразование в "вертикальное" ПЭС 27
1.7. Область ионосферы, дающая основной вклад в вариации ПЭС... 27
1.8. Сети приемников GPS 28
1.9. Глобальные карты ПЭС 29
1.10. Модель магнитного поля земли IGRF-10 34
Глава 2. Исследование зависимости относительной амплитуды вариаций ПЭС от геомагнитной широты и возмущенности 36
2.1. Возмущения ионосферной плазмы в различных регионах земного шара 36
2.2. Метод расчета пространственного распределения относительной амплитуды вариаций ПЭС 38
2.3. Зависимость относительной амплитуды вариаций ПЭС от геомагнитной широты при разных уровнях геомагнитной возмущенности 40
2.4. Выводы к главе 2 48
Глава 3. Влияние магнитно-ориентированных ионосферных неоднородностей на качество функционирования системы GPS 50
3.1. Крупномасштабные магнитно-ориентированные неоднородности 50
3.2. Методы детектирования крупномасштабных магнитно-ориентированных неоднородностей 53
3.3. Детектирование крупномасштабных магнитно-ориентированных ионосферных неоднородностей на основе анализа сбоев сопровождения фазы на вспомогательной частоте 55
3.4. Выводы к главе 3 68
Глава 4. Влияние всплесков широкополосного солнечного радиоизлучения во время вспышек на функционирование системы GPS 69
4.1. Солнечные вспышки в ультрофиолетовом, рентгеновском и радиодиапазоне 70
4.2. Методы обработки данных глобальной сети приемников GPS 76
4.3. Отклик полного электронного содержания на солнечные вспышки в EUV диапазоне 81
4.4. Статистика фазовых сбоев и пропусков отчетов сигнала GPS во время солнечных вспышек 85
4.5. Анализ сбоев комбинированных приемников GPS и ГЛОНАСС... 88
4.6. Механизм сбоев измерений параметров сигналов GPS и ГЛОНАСС во время солнечных вспышек 91
4.7. Выводы к главе 4 94
Заключение 96
Благодарности 98
Библиография 99
- Алгоритм расчета координат ионосферной и подионосферной точек
- Зависимость относительной амплитуды вариаций ПЭС от геомагнитной широты при разных уровнях геомагнитной возмущенности
- Детектирование крупномасштабных магнитно-ориентированных ионосферных неоднородностей на основе анализа сбоев сопровождения фазы на вспомогательной частоте
- Отклик полного электронного содержания на солнечные вспышки в EUV диапазоне
Введение к работе
Спутниковые радиотехнические системы активно используются в различных сферах человеческой деятельности. Современные средства спутниковой навигации и связи, в том числе глобальные навигационные системы GPS, ГЛОНАСС, работают на частотах дециметрового диапазона. В результате проведенных в последнее десятилетие исследований стало ясно, что на распространение радиоволн этого диапазона существенное влияние оказывает состояние околоземного космического пространства (возмущения на Солнце и в магнитном поле Земли, регулярная структура и динамика ионосферы, неоднородности ионосферной плазмы). В связи с этим проблемы воздействия различных факторов ОКП на функционирование спутниковых радиотехнических систем находятся сейчас в центре внимания научной общественности.
Известно, что на эффективность работы GPS оказывают значительное влияние ионосферные неоднородности, вызывающие искажение сигнала GPS [1]. Падение уровня сигнала, вследствие рассеяния, приводит к уменьшению отношения сигнал/шум, а, следовательно, к срывам сопровождения фазы несущей частоты и невозможности высокоточного позиционирования. Считалось, что такие явления типичны для экваториальной и авроральной областей, а во время главной фазы магнитных бурь — и для среднеширотных регионов [2, 3]. Однако, анализ сбоев функционирования системы GPS на плотных сетях станций позволил определить авторам [4], что и в спокойных геомагнитных условиях возможны серьезные нарушения функционирования системы, вызванные крупномасштабными неоднородностями даже на средних широтах. В статье [4] сообщается о регистрации многочисленных сбоев сопровождения сигналов на вспомогательной частоте f2 системы GPS. В это же время наблюдались большие временные градиенты полного электронного содержания (ПЭС). Авторы [4] считают, что это показательный пример проявления так называемых ионосферных пузырей (super bubbles) -вытянутых вдоль магнитного поля Земли областей пониженной электронной концентрации. Однако, если крупномасштабная неоднородность ионосферной плазмы вытянута вдоль магнитного поля (будем называть её «магнитно-ориентированная неоднородность»), то лучи проходящие через эту неоднородность вдоль, под углом и перпендикулярно магнитному полю будут распространяться в принципиально различных условиях, и у них должны наблюдаться разные искажения. Соответственно, стабильность приема сигнала в системе GPS для лучей разной ориентации будет различной. Однако, этот вопрос до сих пор подробно не исследовался. Поэтому изучение влияния ориентации луча «спутник-приемник» относительно магнитного поля на плотность сбоев в системе GPS является актуальной задачей. Детальный анализ зависимости плотности фазовых сбоев от угла между лучом «спутник-приемник» и направлением магнитного поля стал доступен после создания плотных региональных сетей приемников GPS, например, японской сети GEONET, начитывающей более 1200 станций. Причиной срыва фазы несущей навигационного сигнала может стать не только уменьшение уровня сигнала, но и увеличение фонового уровня шумов из-за различных факторов. Одним из таких факторов могут быть всплески радиоизлучения, во время вспышек на Солнце. Следует отметить, что при разработке спутниковых радионавигационных систем GPS и ГЛОНАСС, помехи от солнечного радиоизлучения вообще не рассматривались как потенциальный источник снижения надежности приема сигнала. Так, в разделе «Помехозащищенность и электромагнитная совместимость СРНС» в монографии-справочнике [5] среди множества источников помех солнечное радиоизлучение не упоминается. 6 декабря 2006 г. произошла солнечная вспышка класса Х6.5. Усиление потока широкополосного солнечного радиоизлучения последовавшее за этой вспышкой превысило по интенсивности радиовсплески всех известных до- сих пор вспышек, как минимум, на два порядка. Это привело к сбоям в работе спутниковых радиосистем, в том числе навигационной системы GPS [6]. Чтобы оценить масштаб поражения всей системы GPS позиционирования, был необходим детальный анализ влияния вспышки 6 декабря 2006 г. на функционирование GPS в глобальном масштабе. Сделать это позволили общедоступные данные мировой сети станций GPS.
Таким образом, исследование влияния различных факторов, таких как широкополосное радиоизлучение Солнца, неоднородности ионосферной плазмы, геомагнитная возмущенность, геомагнитная широта, на распространение и прием сигналов GPS являются очень актуальными.
Предметом исследования в настоящей диссертации являются сбои сопровождения фазы несущей частоты сигнала GPS, вызванные мощным радиоизлучением Солнца и магнитно-ориентированными ионосферными неоднородностями, проанализированные на обширном статистическом материале.
Цель работы: Исследование влияния мощных всплесков солнечного радиоизлучения и ионосферных неоднородностей на распространение и прием сигнала GPS на основе анализа сбоев сопровождения фазы. Исследование морфологии относительных ионосферных вариаций полного электронного содержания, потенциально приводящих к срывам сопровождения сигнала в системе GPS.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1) Разработка методов, алгоритмов и программ для обработки большого массива данных приемников- GPS с целью анализа сбоев сопровождения фазы несущей частоты радиосигнала «спутник-приемник» GPS.
Создание специализированной базы данных глобальной сети приемников GPS, необходимой для изучения сбоев GPS и зависимости относительной амплитуды вариаций ПЭС от геомагнитной широты.
Исследование зависимости относительной амплитуды вариаций ПЭС от геомагнитной широты при разных уровнях геомагнитной возмущенности.
Исследование зависимости количества сбоев сопровождения фазы несущей частоты радиосигнала GPS от взаимного расположения луча «спутник-приемник» и направления магнитного поля на высоте ионосферы в присутствии крупномасштабных ионосферных неоднородностей.
Анализ зависимости сбоев сопровождения фазы несущей частоты радиосигнала «спутник-приемник» GPS от интенсивности широкополосного солнечного радиоизлучения.
Сравнение надежности работы во время всплесков солнечного радиоизлучения систем GPS и ГЛОНАСС.
Научная новизна исследования
1) Впервые, по данным большого количества приемников, получено статистически значимое экспериментальное свидетельство того, что во время наиболее сильных всплесков солнечного радиоизлучения GPS-позиционирование на освещенной стороне Земли временно парализуется.
Установлено, что ГЛОНАСС подвержена сбоям в меньшей степени. Показано, что высокий уровень фазовых сбоев на одной или двух частотах вызван влиянием аддитивного шума солнечного радиоизлучения.
Впервые по данным плотной сети станций GPS показано, что существенное увеличение количества сбоев сопровождения фазы несущей частоты в системе GPS наблюдается в присутствии крупномасштабных ионосферных неоднородностей при распространении радиосигнала под углами ~0 и -90 с магнитным полем Земли.
На основе анализа взаимного расположения луча «спутник-приемник» и направления магнитного поля на высоте ионосферы предложен метод выбора спутников, для минимизации возможности сбоев высокоточных фазовых измерений координат в системах GPS и ГЛОНАСС.
Достоверность результатов, представленных в диссертации, обусловлена использованием физически обоснованных методов анализа данных, современной модели магнитного поля Земли IGRF и представительной статистики экспериментальных данных GPS. Результаты работы находятся в качественном согласии с результатами исследований, опубликованных ранее другими авторами.
Практическая ценность работы. Полученные результаты и разработанные в диссертации методы могут быть использованы для корректировки алгоритмов выбора спутников в системах GPS, ГЛОНАСС, что приведёт к увеличению надежности систем, а так же для развития методов прогнозирования ошибок позиционирования в глобальных навигационных спутниковых системах.
Личный вклад автора
Основные результаты диссертации являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии.
Автору принадлежат:
Усовершенствование программного комплекса для обработки большого массива данных приемников GPS, а так же разработка пакета программ для визуализации и исследования сбоев определения навигационных параметров в системе GPS, вызванных ионосферными неоднородностями, вытянутыми вдоль магнитного поля.
Создание специализированной базы данных мировой сети приемников GPS.
Исследование относительной амплитуды вариаций ПЭС в зависимости от геомагнитной широты в различных геомагнитных условиях.
Исследование влияния магнитно-ориентированных неоднородностей ионосферной плазмы над территорией Японии на функционирование региональной сети станций GPS.
Комплексное исследование нарушения функционирования системы GPS вызванных всплесками широкополосного радиоизлучения во время солнечных вспышек. Сравнение устойчивости двух навигационных систем (GPS и ГЛОНАСС) к широкополосному солнечному радиоизлучению.
Апробация работы
Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на Международной Байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике (БШФФ-2007, БШФФ-2009), Иркутск; XIV International Symposium «Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics», Бурятия, 2007; International conference AIS-2008: Atmosphere, ionosphere, safety, 2008, Калининград; XXII Всероссийской конференции «Распространение радиоволн», п. Лоо, Краснодарский край, 2008; 37th COSPAR Scientific Assembly, Montreal, Canada, 2008; URSI General Assembly, Chicago, USA, 2008; EGU General Assembly, Vienna, Austria, 2008; XV International Symposium «Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics», Красноярск, 2008; 12-th Ionospheric Effects Symposium, Alexandria, USA, 2008; шестой международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности", Санкт-Петербург, 2008; IV Всероссийской научной школе и конференции «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред», Муром, 2009; Седьмой всероссийской открытой ежегодной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», Москва, 2009; The IX-th Russian-Chinese Workshop on Space Weather, Irkutsk, 2009; Международной конференции «Солнечно-земная физика», Иркутск, 2010; семинарах отдела 1.00 ИСЗФ СО РАН.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Получено экспериментальное доказательство ухудшения качества функционирования системы GPS, вызванного мощными потоками широкополосного радиоизлучения Солнца во время вспышек. Показано, что система ГЛОНАСС характеризуется более высокой устойчивостью работы, чем GPS в аналогичных условиях.
2. Экспериментально установлено увеличение плотности сбоев сопровождения фазы вспомогательной частоты приемниками GPS, при распространении радиосигнала вдоль и поперёк магнитного поля, в присутствии неоднородностей ионосферной плазмы на средних широтах. При распространении сигнала вдоль магнитно-силовой линии в присутствии неоднородностей электронной концентрации для отдельных спутников доля приемников, не принимающих сигнал, может превышать 30%.
3. На большом статистическом материале подтверждена зависимость относительной амплитуды вариаций ПЭС от геомагнитной широты и возмущенности. В обоих полушариях наблюдается линейный рост средней относительной амплитуды вариаций ПЭС в 1.5 раза в области геомагнитных широт 30-63. На более высоких широтах (63-75) регистрируется резкий рост амплитуды в 10 раз. В возмущенных геомагнитных условиях происходит смещение границ указанных областей в экваториальном направлении (с 63 до 55 и с 75 до 70, соответственно), а также общее увеличение амплитуды в 1.4 раза.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы, содержащего 80 ссылок. Общий объем диссертации 107 страниц, включая 28 рисунков.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении приведена общая характеристика работы, отражена её актуальность, сформулированы цели диссертации и решаемые задачи, приведено краткое содержание диссертации.
В первой главе даны общие сведения о глобальной радионавигационной системе GPS, а также о мировой и региональных сетях двухчастотных приемников GPS. Обсуждается использование глобальных навигационных спутниковых систем в качестве инструмента для исследования околоземного пространства. Изложен метод определения полного электронного содержания по данным двухчастотных фазовых измерений в. системе GPS. Дано описание технологии построения глобальных карт абсолютного «вертикального» ПЭС (GIM-карт) по данным международной сети GPS-станций. Приведены сведения о международной справочной модели магнитного поля Земли (IGRF-10).
Во второй главе представлены результаты исследования относительной амплитуды вариаций ПЭС на основе анализе временных рядов вариаций ПЭС, полученных по данным приемников GPS с временным разрешением 30 с. Описаны результаты исследования зависимости относительной амплитуды фоновых вариаций ПЭС от геомагнитной широты и возмущенности.
В третьей главе представлены результаты исследования влияния крупномасштабных ионосферных неоднородностей на функционирование системы GPS. Описаны результаты исследования нарушений приема сигнала в системе GPS, вызванных магнитно-ориентированными неоднородностями при ориентации луча «спутник-приемник» как параллельно, так перпендикулярно магнитной силовой линии на высоте ионсоферы.
Четвертая глава посвящена исследованию воздействия мощных солнечных радиовсплесков на функционирование спутниковых радионавигационных систем GPS и ГЛОНАСС. В этой главе приведены результаты анализа сбоев функционирования GPS во время вспышек 6 декабря 2006 г., 13 декабря 2006 г. и 28 октября 2003 г. Проведено сравнение устойчивости функционирования систем GPS и ГЛОНАСС к воздействию всплесков широкополосного радиоизлучения Солнца.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные при работе над диссертацией.
Алгоритм расчета координат ионосферной и подионосферной точек
Просвечивание ионосферы высокочастотными радиосигналами (трансионосферное зондирование), излучаемыми с искусственного спутника Земли (ИСЗ), позволяет получить информацию о полном электронном содержании (ПЭС) в столбе единичного сечения между передатчиком на ИСЗ и приемником, расположенным на Земле. В экспериментах по трансионосферному зондированию измеряют либо угол поворота плоскости поляризации волны вследствие ее фарадеевского вращения [7-9], либо. доплеровские сдвиги частоты [10], либо вариации фазы принимаемого сигнала [11]. Эти величины связаны с ПЭС, что позволяет использовать их для его расчета. Предполагается также, что основной вклад в модуляцию трансионосферного сигнала вносит достаточно узкая область высот в окрестности главного максимума ионизации. До появления современных высокоорбитальных спутниковых навигационных систем для трансионосферного зондирования использовались сигналы геостационарных и низкоорбитальных ИСЗ. В наблюдениях, использующих геостационарные спутники [7, 9-11] возможно исследование временных вариаций ПЭС, так как ИСЗ практически не перемещается относительно приемного пункта. Исследование ионосферных неоднородностей с помощью геостационарных ИСЗ получило большое распространение и дало значительный объем информации, особенно о динамике крупномасштабных неоднородностей. Серьезным недостатком методов, основанных на анализе сигналов геостационарных ИСЗ, является слишком малое и все уменьшающееся количество таких спутников, а также неравномерное распределение их по долготе. Это не позволяет проводить радиофизические измерения в целом ряде районов земного шара, особенно на высоких широтах. Низкоорбитальные ИСЗ движутся относительно приемника со скоростью порядка 6 км/с, что во много раз превышает скорость перемещения ионосферных неоднородностей. Такие измерения позволяют определить степень возмущения электронной плотности и горизонтальные размеры неоднородностей [12].
Поскольку скорость перемещения низкоорбитальных ИСЗ велика, возможно получение практически мгновенной пространственной картины неоднородной структуры главного максимума ионизации вдоль проекции траектории ИСЗ. В связи с этим в последнее десятилетие большой интерес вызывают работы по компьютерной радиотомографии (РТ) ионосферы. Первые экспериментальные РТ-изображения ионосферы были получены сотрудниками МГУ и Полярного геофизического института в 1990 г. [13, 14]. Применяемые в настоящее время методики РТ в ионосфере основаны на использовании когерентных сигналов частот 150 и 400 МГц низкоорбитальных (высота орбиты 1000-1100 км) навигационных спутников отечественной системы "Цикада" ("Парус") и американкой NNSS (Navy Navigational Satellite System, "Транзит"). Для регистрации выбираются меридиональные цепочки приемных станций вдоль траектории пролета ИСЗ. Результат измерений имеет вид высотно-широтных сечений распределения электронной концентрации. Большинство реконструированных сечений представляют картины типичной невозмущенной ионосферы, отражая характерные широтные вариации электронной концентрации. Есть случаи регистрации сечений с возмущениями, которые выявляют квазипериодические пространственные неоднородности электронной концентрации (Ne) с типичными для среднемасшатбных ионосферных неоднородностей характеристиками [14, 15, 16]. Однако, слабое временное разрешение, малое количество приемных трасс и сокращающееся число низкоорбитальных ИСЗ, эпизодичность измерений, а также необходимость привлекать модели ионизации в качестве начальных условий при реконструкции сечений ограничивают пока возможности РТ в исследовании свойств ионосферных неоднородностей. Дальнейшее развитие данного метода, вероятно, будет связано с использованием зондирующих сигналов современных высокоорбитальных навигационных систем ГЛОНАСС и GPS [14]. Создание системы GPS и развитие на её основе широко разветвленной сети приемников открыло новые возможности для диагностики ионосферы [17]. Данная сеть непрерывно расширяется и к январю 2010 г. насчитывала более 3000 двухчастотных приемников GPS, данные с которых представлены в Интернет. В настоящее время происходит расширение сети GPS за счет интеграции с аналогичной российской навигационной системой ГЛОНАСС. В каждый момент времени каждый приемник GPS наблюдает не менее 5-8 ИСЗ GPS (10-15 ИСЗ с использованием совмещенных приемников GPS-ГЛОНАСС). В последние годы становятся доступными данные GPS-приемников, размещенных на спутниках с низкими околоземными орбитами (TOPEX/POSEIDON, CHAMP). Таким образом, ионосфера Земли просвечивается одновременно десятками тысяч лучей "приемник-спутник" с разнообразным положением приемников, что делает сеть приемников GPS уникальным инструментом исследования атмосферы Земли. GPS (Global Positioning System) представляет собой спутниковую радионавигационную систему (СРНС) второго поколения. В состав космического сегмента GPS входят 24 навигационных ИСЗ, размещенных на шести круговых орбитах [17]. Высота орбит составляет около 20200 км, наклонение 55. Орбиты разнесены по долготе на 60. Период обращения ИСЗ GPS - около 12 ч. СРНС имеет собственное системное время, хранимое на борту ИСЗ эталонами частоты. Передатчики ИСЗ GPS излучают непрерывные сигналы на двух несущих частотах: f\ - 1575.42 МГц и f 1227.60 МГц. Сигналы кодируются псевдослучайными цифровыми последовательностями (код свободного доступа С/А и защищенный код Р), которые обеспечивают возможность регистрации показаний часов ИСЗ в приемнике GPS. Кроме того, обе несущие частоты дополнительно кодируются навигационным сообщением со служебной информацией. Каждый спутник использует свою псевдослучайную последовательность, что позволяет всем ИСЗ GPS работать на общих частотах и одновременно определяет индивидуальный номер спутника в системе, так называемый PRN-номер (сокращение от "pseudorandom noise"): PRN1, PRN12 и т.д. GPS-приемник производит выбор рабочего созвездия навигационных ИСЗ, обработку измеряемых радионавигационных параметров, расчет координат. Важнейшими характеристиками GPS-приемника являются: число рабочих частот (одна или две); число одновременно наблюдаемых ИСЗ (число каналов); способ измерения псевдодальности (кодовый или фазовый).
Зависимость относительной амплитуды вариаций ПЭС от геомагнитной широты при разных уровнях геомагнитной возмущенности
К настоящему времени накоплен большой материал о структуре ионосферы - глобальном распределении ионизации, ее суточных, сезонных и климатических вариациях. В то же время многочисленные наземные и космические исследования убедительно показали, что характерной особенностью ионосферы является ее изменчивость и неоднородность. Возмущения (неоднородности) проявляются в вариациях различных параметров среды: локальной электронной концентрации (Ne), температуры ионов и электронов, полного электронного содержания (ПЭС, количество электронов в столбе единичного сечения) [1].
Ионосферные неоднородности классифицируются на основе их пространственно-временных масштабов, степени изменения электронной концентрации и скорости перемещения. Пространственно временные масштабы ионосферных возмущений возмущения зависят от параметров инициирующего воздействия [23, 36, 37]
Авроральные процессы, сопровождающие мощные магнитные бури, генерируют крупномасштабные перемещающиеся ионосферные возмущения. (КМ ПИВ). КМ ПИВ являются ионосферным проявлением внутренних атмосферных акустико-гравитационных волн (АГВ), имеют временные периоды порядка 1 часа и длины волн свыше 1000 км. Эти возмущения перемещаются в основном в экваториальном направлении со скоростью порядка 300-1000 м/с. Среднемасштабные перемещающиеся ионосферные возмущения (СМ ПИВ), возникающие при различных возмущениях нейтральной атмосферы на низких и средних высотах (погодные явления, движение солнечного терминатора, сверхзвуковое движение лунной тени при солнечном затмении и т.д.), создают в ионосфере своеобразное интерференционное поле возмущений с характерными периодами 20-60 мин, длинами волн от 50 до 300 км и всевозможными направлениями перемещения. Считается, что нейтральный ветер при некоторых условиях фильтрует СМ ПИВ по направлениям перемещения, так что можно выделить определенное преобладающее направление. Как правило, среднемасштабные ПИВ имеют наклон фронта-около 45 вниз относительно плоскости горизонта, а их интенсивность составляет 5-30%. К классу СМ ПИВ относятся и некоторые особые типы перемещающихся возмущений - перемещающиеся волновые пакеты, изолированные ионосферные неоднородности, имеющие форму импульсов длительностью 10-20 мин. СМ ПИВ вызывают рефракционные искажения радиосигналов.
Мелкомасштабные перемещающиеся ионосферные возмущения (ММ ПИВ) обычно ассоциируются с погодной активностью. Период таких возмущений лежит в пределах 1-Ю мин, а характерных пространственный масштаб составляет 100-1000 м. К ММ ПИВ близки неоднородности промежуточного масштаба (ПМ ПИВ), имеющие тот же временной период 1-10 мин и пространственные размеры 1-30 км. ММ и ПМ неоднородности вызывают явление F-рассеяния и мерцания радиосигналов.
Морфология возмущений ПЭС изучена менее подробно, чем морфология неоднородностей электронной концентрации. Прогресс в области исследования вариаций ПЭС может быть достигнут благодаря развитию плотных наземных сетей приемников GPS. Созданные в Японии и Калифорнии сети GPS позволяют строить карты распределения вариаций ПЭС с достаточно высоким пространственным и временным разрешением. Впервые метод картирования предложен в работе [38] где с помощью него проведено картирование вариаций ПЭС на основе данных сети GEONET в Японии. В настоящее время на территории Японии можно достичь пространственного разрешения карт вариаций ПЭС 30 км. Для анализа пространственно-временной структуры ионосферных возмущений над территорией США аналогичный метод был использован в работах [39, 40] при исследовании среднемасштабных ПИВ. Большой интерес в настоящее время представляет изучение вопроса о широтном распределении возмущений ПЭС как фактора, оказывающего существенное влияние на распространение радиоволн дециметрового диапазона [41]. Важное значение имеет также прогноз вероятности появления ионосферных неоднородностей различных периодов в заданном регионе в различное время, так как от этого напрямую зависит надежность работы систем радиосвязи, навигации и радиолокации. Кроме того, исследование пространственно-временной структуры и динамики ионосферных возмущений позволяет значительно продвинуться в понимании физики взаимодействия атмосферы, ионосферы и магнитосферы. Расчет вариаций ПЭС по данным фазовых измерений двухчастотных приемников GPS с временным разрешением 30 с производился по формуле (1.3). Исходные ряды вариаций ПЭС пересчитывались в эквивалентные вертикальные значения по формуле (1.5). Метод фильтрации временных рядов ПЭС подробно описан в [1]. Для каждой станции сети и выбранного спутника производится расчет вариаций ПЭС вдоль луча «спутник-приемник». С целью, исключения вариаций регулярной ионосферы, а также трендов, внесенных движением спутника, временные ряды фильтруются методом скользящего среднего. Параметры временного окна для фильтрации подбираются в зависимости от решаемой задачи. Таким образом, на выходе получается набор рядов вариаций ПЭС dl(t) в некотором диапазоне периодов. В настоящей работе исходные ряды фильтровались в трех диапазонах периодов: 2-90, 2-10, 20-60 мин. В качестве характеристики абсолютной амплитуды вариаций dl использовалось среднеквадратичное отклонение (СКО) отфильтрованного ряда dl(t) длительностью 2.3 часа. Относительная амплитуда dl/I определялась путем нормировки величины СКО ряда dl(t) на фоновое значение 10, в качестве которого использовалось значение абсолютного вертикального ПЭС, полученного с двухчасовым временным разрешением по глобальным картам ПЭС в формате IONEX [30]. Сутки были разбиты на 22 интервала длительностью 2.3 часа и смещенные друг относительно друга на 1 час. При среднем числе станций GPS около 500 и не менее 5 одновременно наблюдаемых каждой станцией спутников GPS среднее число рядов вариаций ПЭС с хорошим качеством данных за сутки составляло не менее 55000. Всего было проанализировано 110 суток за различные сезоны 2004-2009 гг., или 6-Ю6 рядов.
Детектирование крупномасштабных магнитно-ориентированных ионосферных неоднородностей на основе анализа сбоев сопровождения фазы на вспомогательной частоте
Крупномасштабные плазменные пузыри, вызывающие явление экваториального F-рассеяния (equatorial spread F, ESF), генерируются в нижней части F области и затем поднимаются выше максимума F слоя [47]. В ряде работ [46, 47] показано, что пузыри имеют характерную структуру - они развиваются вдоль магнитной силовой линии. Таким образом, они оказываются более протяженными в меридиональном направлении и менее протяженными в зональном [46, 47]. Пузыри могут подниматься на некоторую конечную высоту. Их проникновение в более высокие широты определяется высотой подъема. Спутниковые измерения показали, что понижение электронной концентрации при ESF может наблюдаться на высотах 3000 км над геомагнитным экватором [50, 51]. Авторы [46] представили измерения сильного уменьшения плотности электронной концентрации на высоте 840 км на основе данных спутника DMSP и показали, что плазменный пузырь, вызванный опустошением магнитной силовой линии на магнитной широте 46, достигает высоты над магнитным экватором 6800 км. На основе анализа ионосферных мерцаний было показано, что для плазменных пузырей характерно восточное направление перемещения со скоростью порядка 100-200
Плазменная капля - более редкое явление, также вызывающее ESF и имеющее близкую к пузырям природу [48]. Как отмечалось выше, плазменные капли (blobs) представляют собой увеличение электронной концентрации, составляющее 50-100% от фонового уровня. Обычно они наблюдаются на низких магнитных широтах и имеют протяжение вдоль магнитного поля до нескольких сот километров.
Основное число работ по исследованию пузырей и капель было осуществлено на основе непосредственных измерений электронной концентрации. Только в отдельных работах наряду с измерениями электронной концентрации проводились измерения ПЭС [4, 46].
В работах [53, 54] было показано, что большие градиенты электронной концентрации на границах крупномасштабных ионосферных неоднородностей могут приводить к генерации спектра мелкомасштабных возмущений. Интенсивные мелкомасштабные ионосферные неоднородности могут приводить к сильным амплитудным и фазовым мерцаниям трансионосферных радиосигналов. До недавнего времени считалось, что основные процессы генерации ионосферных неоднородностей проходят в экваториальной и авроральной областях, где создаются условия для развития неустойчивостей ионосферной плазмы. В экваториальной области такие условия создает сложная динамика экваториальной аномалии, а в авроральных областях - явления, связанные со вспышками на Солнце, вариациями магнитного поля, высыпаниями частиц и т.д. Основные усилия и большое количество установок для исследования ионосферы были сконцентрированы как раз в этих областях. С появлением современных средств, включая плотные сети наземных приемников GPS, стало доступно более детальное изучение неоднородностей ионосферной плазмы на средних широтах [1]. Разработанные в диссертации методы и алгоритмы для обработки данных GPS предоставляют возможность для анализа крупномасштабных магнитно-ориентированных неоднородностей. 3.2 Методы детектирования крупномасштабных магнитно-ориентированных неоднородностей Интенсивные мелкомасштабные ионосферные неоднородности, входящие в состав крупномасштабных, могут приводить к сильным амплитудным и фазовым мерцаниям сигнала GPS, вызывая потерю фазы сигнала и приводя к невозможности осуществления высокоточной навигации. Размер таких неоднородностей имеет порядок первой зоны Френеля, что составляет 150-300 м для частот GPS =1575.25 МГц, f2=1227.2 МГц.
В случае, когда неоднородность вытянута по магнитному полю, наибольшие эффекты должны наблюдаться, когда луч «спутник GPS -приемник» проходит вдоль границы неоднородности, где имеется наиболее резкий градиент.. Кроме того, чем большая часть траектории проходит внутри крупномасштабной4 неоднородности, тем сильнее будет влияние на сигнал мелкомасштабных неоднородностей, входящих в состав крупномасштабной.
Таким образом, анализируя зависимость амплитудных и фазовых характеристик сигнала GPS от угла между магнитным полем и лучом «спутник-приемник» можно детектировать крупномасштабные магнитно-ориентированные неоднородности. Приемники GPS, данные которых находятся в свободном доступе, не измеряют амплитуду принятого сигнала, поэтому выявить зависимость амплитуды принятого сигнала от угла между лучом «спутник-приемник» и магнитным полем в явном виде нельзя. Однако, рассеяние радиоволны на ионосферных неоднородностях может привести к падению уровня принимаемого сигнала ниже определенного значения, когда приемник перестанет обнаруживать сигнал на фоне шумов, что проявится, как сбой сопровождения фазы несущей частоты (фазовый сбой). Данные о сбоях находятся в стандартных RINEX файлах GPS-приемника и доступны для анализа.
Разработанные в ИСЗФ СО РАН технологи позволяют анализировать фазовые сбои как на частоте fj, так и на частоте f2. Частота f2 оказывается гораздо более чувствительным индикатором фазовых сбоев, что обусловлено характеристиками передатчиков на спутниках GPS. Отношение сигнал/шум на частоте f2 меньше, чем на частоте fb из-за того, что мощность передатчика f2 спутника GPS на 6 Дб меньше, чем передатчика основной частоты fb Подобное соотношение эффективно излучаемых мощностей сигналов f\ (30 Ватт) и f2 (21 Ватт) типично и для Российской системы ГЛОНАСС [5]. В связи с этим, в диссертации анализировались данные о потере сопровождения фазы сигнала частоты f2. Эта информация использовалась как косвенный параметр, отражающий уровень мерцаний для всех типов приемников GPS в глобальном масштабе. В диссертации предложена и опробована методика детектирования крупномасштабных магнитно-ориентированных ионосферных неоднородностей, основанная на использования анализа фазовых сбоев в системе GPS. Были разработаны алгоритмы и программы по обработке большого количества данных для определения зависимости плотности фазовых сбоев сигналов GPS от взаимного расположения луча «спутник-приемник» и магнитного поля.
Отклик полного электронного содержания на солнечные вспышки в EUV диапазоне
В третьей главе представлены результаты исследования влияния усиления широкополосного радиоизлучения во время солнечных вспышек на функционирование системы GPS. Проведено сравнение устойчивости работы систем ГЛОНАСС и GPS. Результаты главы опубликованы в [57-65].
6 декабря 2006 г. с 18:29 до 19:00 UT произошла солнечная вспышка класса Х6.5, заинтересовавшая не только астрономов и радиоастрономов, но гораздо более широкий круг ученых и инженеров. В рентгеновском (X) и дальнем ультрафиолетовом (EUV) диапазонах эта вспышка была далеко не самой мощной, однако, последовавшее за ней с 19:25 до 19:40 UT усиление широкополосного солнечного радиоизлучения превысило по интенсивности радиовсплески всех известных до сих пор вспышек как минимум на два порядка. Это привело к сбоям в работе спутниковых радиосистем, в том числе навигационной системы GPS. На отдельных приемных станциях GPS были отмечены сбои функционирования, а на специализированных приемниках-мониторах ионосферных мерцаний зарегистрированы глубокие замирания сигнала GPS [6]. Чтобы оценить масштаб поражения системы GPS-позиционирования, необходим детальный анализ влияния вспышки 6 декабря 2006 г. на функционирование GPS в глобальном масштабе.
Известно, что на эффективность работы GPS оказывают влияние ионосферные неоднородности, вызывающие рассеяние сигнала GPS [1]. Такие неоднородности типичны для экваториальной и авроральной областей, а во время главной фазы магнитных бурь - и для среднеширотных регионов [1-3, 66]. Чтобы отделить эффекты, вызванные непосредственно солнечными вспышками, от эффектов последовавших за ними геомагнитных возмущений, полезно одновременно с анализом параметров сигналов GPS оценить ПЭС, вызванные вспышкой в УФ диапазоне.
В ходе работы на диссертацией был проведён анализ отклика полного электронного содержания в ионосфере и сбоев функционирования GPS во время вспышек 6 декабря 2006 г. и 13 декабря 2006 г. в сравнении с вспышкой 28 октября 2003 г.
Для анализа отклика ПЭС и сбоев GPS были использованы доступные по сети Интернет 30-с данные глобальной сети наземных приемных станций GPS (всего около 750 станций; http://lox.ucsd.edu/cgi-bin/al-lCoords.cgi). Наличие в глобальной сети небольшого количества многоканальных комбинированных приемников GPS-ГЛОНАСС (44 шт.) позволило нам провести сравнительный анализ устойчивости работы двух систем. В качестве индекса солнечной активности использованы данные об интегральном потоке EUV излучения Солнца в диапазоне 0.1-50 нм, полученные на космической станции SEM/SOHO [http://www.usc.edu/dept/space_science/semdatafolder/]. Данные о рентгеновском излучении представлены на сайте http://www.sel.noaa.gov/ftpmenu/lists/xray.html. Сведения о потоке солнечного радиоизлучения 6 декабря 2006 г. получены по данным радиогелиографа Owens Valley Solar Array (OVSA), США [6]; для 13 декабря 2006 г. - по данным RSTN спектрографа RSTN/Learmonth, Австралия, и для 28 октября 2003 г. - по данным спектрографа TRST в Триесте, Италия. После длительного (порядка 15 месяцев) интервала низкого уровня солнечной активности (характерного для эпохи минимума солнечного цикла) 5 декабря 2006 г. и 6 декабря 2006 г. в активной области (АО) NOAA 10930, появившейся на восточном лимбе солнечного диска 4 декабря, имела место беспрецедентная по числу и мощности серия вспышек. Только 6 декабря 2006 г. с 01:30 до 23:45 UT были зарегистрированы около 70 различных событий, в т.ч. 38 рентгеновских вспышек: 18 класса С, 4 класса М, 15 класса В и 1 класса X. В интервале с 18:29 до 19:00 UT произошла вспышка класса Х6.5 [http://www.sel.noaa.gov/ftpmenu/lists/xray.html]. В 18:42 UT зарегистрировано начало радиовсплеска II типа - индикатора ударной волны. Около 19:30 UT начался выброс корональной массы, сопровождаемый мощным радиоизлучением в диапазоне 1-10 МГц и выше, который был зарегистрирован на космической станции WIND WAVES (http://cdaw.gsfc.nasa.gOv/CME_list/daily_movies/2006/12/06/c2eit_waves41aptop.h tml). С 18.44 UT зафиксирован протяженный радиовсплеск IV типа, сопровождавший вспышку класса более М5. Временная зависимость потока EUV излучения представлены на рис.4.1а. На рис. 4.16 приведены интенсивности потока рентгеновского излучения в диапазонах 0.1-0.8 нм (толстая кривая) и 0.05-0.4 нм (тонкая кривая). Синхронный характер и форма изменения потоков EUV и рентгеновского излучений являются типичными для солнечной вспышки класса X. С большим запаздыванием (около 40 мин) вслед за вспышкой Х6.5 последовал мощный всплеск в радиодиапазоне (интервал времени отмечен на рис.4.1 в символом «А» и толстым горизонтальным отрезком). Согласно данным радиоспектрографа Owens Valley Solar Array, приведенным в [6], в интервале времени 19:30-19:40 UT уровень радиошума в частотном диапазоне GPS (1.2— 1.6 ГГц) превзошел 105 s.f.u. (s.f.u. - solar flux unit, единица потока солнечного радиоизлучения, 1 s.f.u. = 10" Вт-м" -Гц"). В отдельные моменты уровень достигал 106 s.f.u., при фоновом значении не более 100 s.f.u.
Похожие диссертации на Исследование влияния широкополосного солнечного радиоизлучения и ионосферных неоднородностей на распространение и прием сигналов GPS
