Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Методика использования сигналов навигационных спутников GPS для диагностики ионосферы
1.1. Теория метода 20
1.1.1. Прохождение ОВЧ / УВЧ сигналов через ионосферу 20
1.1.2. Двухчастотный метод измерения дальности 24
1.1.2.1. Групповые измерения 24
1.1.2.2. Фазовые измерения 25
1.2. Конфигурация навигационных спутников GPS 27
1.2.1. Типы измерений 29 N
1.2.2. Приемная аппаратура 29
1.2.3. Структура обсервационного файла 33
1.3. Сеть IGS 36
1.4. Прогноз пролета спутников 38
1.4.1. Алгоритм прогнозирования 38
1.4.2. Структура файла с навигационными данными 39
1.5. Алгоритм восстановления абсолютной величины полного электронного содержания по GPS-наблюдениям 42
1.5.1. Дифференциальная задержка для групповых измерений 42
1.5.2. Модель для ионосферной задержки 44
1.5.3. Процедура расчетов 47
1.6. Пространственное распределение полного электронного содержания ионосферы 50
1.7. Апробирование метода 52
1.7.1. Результаты наблюдений 52
1.7.2. Расчеты аппаратурных поправок 53
1.7.3. Расчеты ионосферных задержек 55
Глава 2 Результаты исследования пространственно-временных вариаций полного электронного содержания на основе данных системы GPS
2.1. Результаты GPS-измерений ПЭС на средних широтах в минимуме солнечной активности 59
2.1.1. Вариации ПЭС от суток к суткам 60
2.1.2. Сезонные изменения 61
2.1.3. Широтные и долготные изменения 64
2.1.4. Анализ различных моделей ПЭС ионосферы 66
2.1.5. Сопоставление GPS-измерений ПЭС с моделью IRI на средних широтах 68
2.1.6. Вариации ПЭС во время возмущений 70
2.2. Измерение ионосферных задержек сигналов GPS в высоких широтах 76
2.2.1. Результаты первых экспериментов, проведенных в России, на высокоширотной станции Мурманск 76
2:2.2. Сравнение ПЭС для спокойного и возмущенного периода по станции Мурманск 81
2.3. Сравнение ПЭС ионосферы по данным, полученных с помощью измерений GPS спутников, и моделью IRI 87
2.4. Региональная модель ПЭС по наблюдениям GPS 94
2.5. Пространственное восстановление ПЭС ионосферы 101
2.5.1. Поведение ПЭС ионосферы над Европой для 11 августа 1999 г. во время солнечного затмения 101
2.5.2. Анализ структуры высокоширотной ионосферы для возмущенных условий 107
Заключение 114
Приложение А. Список основных обозначений 115
Литература
- Двухчастотный метод измерения дальности
- Алгоритм восстановления абсолютной величины полного электронного содержания по GPS-наблюдениям
- Вариации ПЭС от суток к суткам
- Поведение ПЭС ионосферы над Европой для 11 августа 1999 г. во время солнечного затмения
Введение к работе
Актуальность темы.
Тема диссертации относится к области радиофизики. Радиофизические методы изучения ионосферы занимают одно из ведущих мест в получении экспериментальных данных. Проблеме диагностике состояния ионосферы уделяется большое внимание в международных программах геофизических и космических исследований.
С развитием космической радиосвязи и навигации, космической геодезии представляет большой интерес исследование пространственно-временного распределения полного электронного содержания (ПЭС) ионосферы. Как известно, ионосфера является одним из основных источников ошибок радиотехнических измерений, основанных на использовании трансионосферного распространения сигналов.
С завершением развертывания в 1994г. глобальной навигационной системы второго поколения GPS (Global Positioning System) появился новый инструмент, который позволяет проводить измерения задержек радиосигналов непрерывно в планетарном масштабе. Это потребовало разработки нового метода, обеспечивающего анализ и интерпретацию GPS-наблюдений в целях диагностики состояния ионосферы и ее влияния на работу космических радиотехнических систем.
Существенным преимуществом метода радиопросвечивания ионосферы сигналами спутников GPS является то, что он, в отличие от других методов диагностики, не требует значительных финансовых затрат. Реализация его возможностей для исследования ионосферы обеспечивается тем, что в рамках международных программ по изучению геодинамики создана обширная сеть станций IGS (International Geodynamic Service), на которых проводятся непрерывные GPS-наблюдения. Наблюдения легкодоступны и могут быть получены по сети Интернет. Причем, если сеть станций по зондированию ионосферы сокращается, то число станций IGS с каждым годом увеличивается.
GPS-наблюдения могут эффективно использоваться как для исследования планетарной структуры ионосферы, так и ее тонкой структуры, обусловленной неоднородностями различных масштабов, включая ионосферные эффекты, связанные с естественными и искусственными воздействиями. Все это определяет актуальность внедрения GPS-технологий в целях диагностики состояния ионосферы и исследования трансионосферного распространения радиоволн.
Цель работы.
Одной из основных проблем, которые возникают при использовании GPS-наблюдений, является выделение абсолютной величины ионосферной задержки из исходных измерений псевдодальности, то есть разделения собственно ионосферной задержки и составляющей, которая обусловлена задержками сигналов в аппаратуре спутника и приемника.
Другая проблема вызвана тем, что GPS спутники имеют период обращения около 12 часов, при этом область ионосферы, которая просвечивается радиосигналами спутников, по долготе составляет более 20, по широте более 10. Следовательно, измеренная задержка обусловлена как пространственным, так и временным изменением ПЭС ионосферы. Таким образом, необходимо решить задачу разделения пространства и времени в вариациях ПЭС ионосферы вдоль орбиты траектории движения спутника.
Для решения этих проблем были поставлены следующие цели работы:
-
разработка нового метода с использованием современных технологий исследования и диагностики состояния ионосферы, основанного на обработке радиосигналов навигационной спутниковой системы GPS.
-
проведение экспериментального исследования поведения ПЭС ионосферы, используя GPS-наблюдения сети IGS при различных геофизических условиях.
Научная новизна.
Полученные в работе результаты являются новыми. Наиболее существенными из них являются следующие:
-
Разработан метод, который позволяет восстановить полное электронное содержание ионосферы непосредственно по измерениям задержек радиосигналов спутников GPS. Метод решает проблему разделения пространственно-временных изменений ПЭС, связанных с нестационарностью ионосферы за время наблюдения спутника.
-
На основе разработанного метода, получены новые данные о пространственно-временном распределение ПЭС ионосферы для спокойных и возмущенных периодов
Методы исследования.
В работе обобщенны известные ранее и разработанные лично автором методы обработки радиосигналов навигационных спутников системы GPS
для диагностики состояния ионосферы при различных геофизических условиях.
Теоретическая и практическая ценность.
Диссертация носит теоретический характер, но некоторые результаты, полученные в работе, имеют и прикладное значение. Приведенная методика обработки радиосигналов навигационных спутников GPS для диагностики ионосферы может быть полезной специалистам, работающим в области геофизики Земли. Новые экспериментальные данные по ПЭС, полученные в результате выполнения работы, могут также найти применение в таких областях, как космическая радиосвязь, радионавигация, радиоастрономия, космическая геодезия и других.
На основе методики формируется Атлас (база данных) по
пространственно-временным вариациям полного электронного
содержания ионосферы для различных геофизических условий.
Разработана простая прогностическая модель ПЭС на средних широтах, которая может быть применена пользователями одночастотных приемников для коррекции ионосферных ошибок при определении местоположения по GPS-измерениям.
Диссертационная работа выполнена в рамках проекта № А0041 «Учебно-информационный центр по физике ионосферы, геомагнитных процессов и распространения радиоволн» Федеральной целевой программы «Интеграция». Результаты работы могут быть использованы в учебном процессе по курсам «Радиофизика», «Теоретическая радиотехника», «Физика ионосферы», «Распространение радиоволн».
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Метод восстановления абсолютного значения ПЭС ионосферы по GPS-наблюдениям над отдельной станцией.
-
Разработанные и реализованные комплексы программ и алгоритмов, на основе которых проводится регулярная диагностика состояния ионосферы по GPS-наблюдениям.
5) Полученные данные о пространственно-временном распределение ПЭС ионосферы при спокойных и возмущенных условиях.
Достоверность результатов определяется большой статистической обеспеченностью экспериментальных данных, совпадением результатов интерпретации экспериментальных данных с теоретическими представлениями, хорошим согласием результатов с другими независимыми измерениями.
Апробация работы и публикации.
Результаты диссертации докладывались на XI Всероссийской школе-
конференции по дифракции и распространению радиоволн (МГУ, Москва,
1998г.), на XVIII Всероссийской конференции по распространению
радиоволн (Санкт-Петербург, 1996г.), на Апатитском семинаре «Физика
авроральных явлений» (Апатиты, 1997г.), на VII симпозиуме по солнечно-
земной физике России и стран СНГ (Москва, 1998г.), на XIX
Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн»
(Казань, 1999г.), на X Научно-технической конференции (Мурманск,
1999г.), в 1996-1998 годах докладывались на XXVH—ХХГХ научных
конференциях профессорско-преподавательского состава
Калининградского государственного университета. Материалы диссертационной работы в 1997 -1999 годах представлялись на ассамблеях EGShCOSPAR.
Результаты выполненных исследований опубликованы в 16 работах.
Личное участие.
Автору принадлежат: разработка алгоритмов, написание и отладка программ, а также проведение расчетов и участие в анализе полученных результатов. Автору в равной степени с соавторами принадлежат все полученные научные результаты и выводы.
Структура работы.
Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения и списка литературы. Глава 1 разбита на 7 параграфов, глава 2 — на 5 параграфов. Общий объем работы составляет 124 страницы. Изложение иллюстрирует 41 рисунок, вставленных в текст работы. В работе приведено 7 таблиц. Список литературы содержит 86 наименований.
Двухчастотный метод измерения дальности
Числитель и знаменатель в дроби для Фо представляют собой разности близких величин, и таким образом, получается неопределенность типа 0/0; чем вьппе выбранная степень аппроксимирующего полинома, тем вьппе степень неопределенности и малые ошибки определения коэффициентов рассматриваемой системы уравнений неизбежно приведут к большим погрешностям отыскания коэффициентов полинома, а следовательно иФ0.
Для вычисления Фо в [Tuhi, 1974] предложено учитывать пространственные В [Tuhi, 1974] предложена методика, которая исходит из свойств Nh(t), вытекающих из уравнения ( ). Nh(t) пропорционально произведению двух функций времени: одна из них — cos %, которая имеет максимум при t=tm и выпукла вверх, вторая — Ф(т), которая имеет минимум около t=tm и выпукла вниз. Таким образом в [Tuhi, 1974] сделан вывод о том, что Nh(t) может стремиться к вогнутости вверх либо вниз в зависимости от значения параметра Фо- Сделан также вывод, что даже при наличие градиентов кривизна графика Nj,(t) принимает минимальное значение при t=tm. Следовательно аппроксимируя функцию Nh(t) полиномом с параметром Фо и добиваясь минимальной кривизны графического представления этого полинома в точке траверза вариацией параметра, можно определить Фо. Здесь также отмечено, что при справедливости соотношения Nh(t) secx предложенная методика приводит к завышенным значениям Nh(t). Для данной методики можно получить следующее аналитическое выражение для оценки неизвестной начальной фазы Фо, а именно:
Отсюда можно найти Nh(to), и следовательно Фо по формуле ( ), так как S(to) — известная величина. Данную методику можно модифицировать, если перейти от использования величины кривизны графика Nh в траверзе для каждого Фо из допустимого диапазона к рассмотрению знака второй производной от полного электронного содержания ионосферы. Данный переход позволяет использовать активную стратегию поиска оптимального Фо, например, с помощью метода дихотомии или золотого сечения, что позволяет существенно сократить время поиска Фо, и как следствие полного электронного содержания.
В том случае, если спутник излучает линейно поляризованные радиоволны, то для определения электронной концентрации используют эффект Фарадея. При распространении линейно-поляризованной волны через плазму, находящуюся в магнитном поле, согласно [Гинзбург, 1960], происходит поворот плоскости поляризации на угол Q, определяемый соотношением: л D = КГ2 Ne(h,t)H0(h)cos !dl, где Но— напряженность геомагнитного поля, 0i — угол между векторами Но и dl. Данная выше формула, описывающая эффект Фарадея в плазме, справедлива для частот больших 40МГц и при угле 9ь меньшем 80. Параметр К=1,35-10"16, если Q имеет размерность градус, частота выражена в МГц, Но — в гауссах, Ne — в см 3, a dl имеет размерность см. Величины Ne, 9 и dl являются функциями времени, поэтому и угол Q также зависит от времени. В связи с этим при приеме радиоволн на антенну с линейной поляризацией наблюдаются поляризационные замирания.
Последняя формула указывает на возможность исследования ионосферы по регистрациям зависимости Q(t). Однако, при проведении экспериментальных исследований, обычно бывает трудно определить значение угла Q, но легко найти частоту поляризационных замираний FQ. Если прием радиоволн производится на антенну с линейной поляризацией, то вращение плоскости поляризации радиоволны воспринимается как амплитудная модуляция сигнала с частотой Fn. Продифференцировав последнюю формулу по времени, получим выражение для частоты поляризационных замираний:
Здесь верхний предел интегрирования Н во втором слагаемом считаем не зависящим от времени. Проанализируем связь FQ С траекторией аппарата и параметрами ионосферы.
Если геофизическая ракета осуществляет вертикальный подъем, то cosGidl не зависит от времени и нестационарностью ионосферы за короткое время наблюдений можно пренебречь. В этом случае существенен лишь первый член последнего выражения, поэтому имеем: Fa= p-- Ne(H). Из этой формулы следует, что по измеренным значениям частоты поляризационных замираний Fa, известному магнитному полю Но и скорости ракеты dH / dt определяется зависимость электронной концентрации от высоты — Ne(H). При этом предполагается, что скорость подъема ракеты определяется по эффекту Допплера на высокой частоте, где влиянием плазмы на частоту можно пренебречь.
Если же источник радиоволн находится на орбите стационарного спутника Земли, то в этом случае Ne(H) и dH/dt пренебрежимо мало, а cosGidl практически не зависит от времени и существенен лишь второй член выражения. В этом случае F определяется нестационарностью ионосферы:
Отсюда следует, что регистрация частоты поляризационных замираний FQ дает сведения о скорости изменения интегральной электронной концентрации. Проинтегрировав это выражение по времени получим формулу для Nh, в которую войдет неизвестная постоянная интегрирования. В случае геостационарного спутника можно определять ПЭС ионосферы, если постоянную интегрирования можно найти по независимым данным. Если, например, из других данных известно значение Nh для 12 часов местного времени, то вариации ПЭС ионосферы в течение суток могут определяться по эффекту Фарадея.
Если эффект Фарадея регистрируется при приеме сигналов спутника с малой эллиптичностью орбиты, то можно не учитывать изменение Н, и аналогично получим также последнее выражение. Обозначив здесь Q — угол поворота плоскости поляризации, Qo — начальный угол (постоянная интегрирования), а С — известная функция времени. Данное уравнение позволяет определить Nh, если найти Qo. Это уравнение аналогично уравнению ( ), поэтому Qo может быть получено так, как это было описано выше для случая определения Фо.
Изучение ионосферы с применением двух когерентных частот и с использованием эффекта Фарадея имеют много общего. При экспериментальных исследованиях доплеровский и фарадеевский методы часто используют одновременно, что позволяет повысить достоверность получаемых данных [Федоренко и др., 1997; Pushin et al., 1999].
Использование эффекта группового запаздывания также позволяет измерять полное электронное содержание ионосферы. Если спутник излучает модулированные радиоволны двух частот fj и fa, то возможно определить разности кажущихся расстояний (псевдодальностей) AL=Li-L2. Точность определения AL зависит от ширины полосы частот модулирующего сигнала. Разность расстояний AL=Li-L2 пропорциональна ПЭС ионосферы Nh:
ALffficosjn, Использование эффекта запаздывания радиоволн для мониторинга ионосферы стало возможным благодаря созданию высокоточных навигационных систем GPS и ГЛОНАСС. Так, например, в настоящее время навигационная система GPS состоит из 24 спутников, развернутых в шести плоскостях с наклонением орбиты 55 к экватору и высотой около 20200 км над Землей с периодом обращения примерно 12 сидерических часов. Кроме того четыре спутника расположены вне этих плоскостей. Такая конфигурация позволяет обеспечить мониторинг ионосферы одновременно с разных направлений. Это позволяет в любом наземном пункте вести одновременный прием сигналов с четырех и более спутников. Спутники обеих навигационных систем излучают радиоволны двух частот fi=1575 МГц и ґг=1228 МГц с фазовой модуляцией псевдослучайной последовательностью. Выбранный вид модуляции позволяет на приемном пункте реализовать свертку сигнала и восстановить монохроматический сигнал с высокой стабильностью частоты. Принятый вид модуляции и возможность восстановления монохроматического сигнала позволяет кроме измерений Ци Ьг осуществить и высококачественные фазовые измерения, что повышает точность определения Nh. Преимущество мониторинга интегральной концентрации методом запаздывания радиоволн обусловлено тем, что здесь не требуется находить неизвестную постоянную интегрирования, и тем, что возможно круглосуточное определение Nh в произвольном районе Земли, в отличие от предыдущих рассмотренных методов этого параграфа.
Отметим, что применение разнесенного приема сигналов в нескольких пунктах привело к развитию томографии ионосферы [Ефишов и др., 1996,1997; Куницын и Терещенко, 1991,1998; Rius et al., 1997].
В публикациях [Royden et al., 1984; Lanyi and Roth., 1988; Ciraolo, 1993; Ciraolo et al., 1994; Marel and Georgiadou, 1994; Sardon et al, 1994; Zarraoa and Sardon, 1996; Baran et al., 1997] показана высокая эффективность мониторинга интегральной электронной концентрации с использованием сигналов спутников навигационной системы GPS.
Алгоритм восстановления абсолютной величины полного электронного содержания по GPS-наблюдениям
Ионосферные возмущения являются ключевой проблемой физики ионосферы, поскольку они связаны с большим разнообразием взаимосвязанных физических явлений в околоземном пространстве. Несмотря на то, что возмущения являются предметом исследования в течении многих лет, вопрос о механизмах, которые формируют планетарную картину проявления бури в ионосфере остается открытым. Сложный характер протекания возмущения во времени и пространстве требует получения более полной и разнообразной информации по всему комплексу явлений. Это, соответственно, делает актуальным получение, систематизацию и анализ полученных экспериментальных данных.
Во время магнитной бури происходит глубокая перестройка ионосферы. Полное электронное содержание является одним из основных параметров ионосферы, который позволяет эффективно контролировать ее состояние и динамику. Величина ПЭС является мерой ионосферных ошибок космических радиотехнических измерений. Новые экспериментальные данные по полному содержанию, которые были получены в ходе выполнения работы, найдут также применение в таких областях, как космическая радиосвязь, радионавигация, радиоастрономия, космическая геодезия и других.
Известно, [Yeh et al., 1994, Cander, 1993; Cander et al., 1998], что отклик ионосферы на магнитную бурю сильно зависит от сезона, широты, долготы, местного времени начала бури, интенсивности и ее продолжительности. Несмотря на предпринимаемые усилия по моделированию геомагнитных бурь, на настоящий момент не удается дать адекватное описание бури со всеми особенностями ее протекания на земном шаре. Остаются неясными и механизмы, которые ответственны за те или иные ионосферные эффекты бурь.
В этой связи получение экспериментальных данных, их анализ и обнаружение закономерностей проявления бури в вариациях ПЭС в планетарном масштабе являются актуальной задачей. Вариации ионосферных параметров во время бури отличаются большим разнообразием и динамизмом. Вследствие действия различных механизмов и различных сил, связанных, например, с ветрами, электрическими и магнитными полями, поведение ионосферы может различаться на расстояниях менее десяти градусов по широте и долготе [Szuszczewicz et al., 1998]. Анализ проведенных исследований [Вагап and Shagimuratov, 1998; Shagimuratov, Lagovsky, Ephishov and Yakimova, 1998] no вариациям ПЭС на средних широтах показывает, что на расстояниях 400-500 км динамика поведения ПЭС во время бури может заметно различаться. Это требует повышения пространственно-временного разрешения для вариаций ионосферных параметров и, соответственно, расширения и уплотнения сети станций наблюдения за состоянием ионосферы.
До настоящего времени основным источником наблюдательного материала служили измерения вертикального зондирования ионосферы (ВЗ). Измерения ПЭС носили ограниченный характер и данные по ним были только для определенных долготных секторов. С развертыванием космических навигационных систем GPS и ГЛОНАСС появились новые и более широкие возможности для измерения ПЭС в глобальном масштабе. Источником GPS-измерений может служить база данных международной сети службы Геодинамики (IGS). Сеть насчитывает более 400 размещенных в разных частях мира станций. Наблюдения в рамках зарубежных программ, на сети IGS производятся непрерывно с 1995 г. Побочным продуктом этих наблюдений являются данные о задержках сигналов, которые после соответствующей обработки дают информацию о полном электронном содержании. Следует иметь в виду, что сеть станции ВЗ сокращается. Особенно это касается территории бывшего Советского Союза. В то же время сеть GPS-станций расширяется, и уже в России насчитывается более десяти станций.
Потенциально, кодовые измерения, которые реализуются с помощью GPS-наблюдений, обеспечивают измерения групповых задержек сигналов и, соответственно, позволяют получить данные об абсолютной величине ПЭС. Но практически исходные групповые измерения смещены на априори неизвестную аппаратурную задержку. В работе были разработаны алгоритмы и программы для определения абсолютной величины ПЭС и аппаратурных задержек. Кроме того, одной из проблем GPS-наблюдений является разделение пространственных и временных вариаций ПЭС. Алгоритм обеспечивает восстановление суточной вариации ПЭС по измерениям дифференциальных задержек сигналов по всем пролетам спутников над станцией наблюдения. На точность определения ПЭС и аппаратурных задержек существенно влияют ионосферные градиенты. Было обнаружено [Baran and Shagimuratov, 1998], что для возмущенных дней точность определения аппаратурных поправок ухудшается. Анализ показал, что аппаратурные задержки мало меняются на протяжении 2-3 недель. Это позволяет использовать значение поправок, найденных по спокойным дням, для коррекции измерений для возмущенных периодов. Такой алгоритм использовался для анализа возмущений.
В отличие от используемых до настоящего времени методов, такой подход позволил повысить точность и надежность результатов, касающихся вариаций ПЭС во время возмущений. Это является существенным плюсом осуществленной работы.
Опыт использования GPS-наблюдений по станциям сети IGS показывает, что для многих станций кодовым наблюдениям присущ значительный уровень помех из-за эффектов многолучевости. В отличие от кодовых, фазовые измерения характеризуются более высокой точностью. В то же время из-за того, что для них не известна начальная фаза, мы не можем использовать предлагаемый подход напрямую для фазовых наблюдений. В ходе работы был разработан алгоритм совместной обработки групповых и фазовых измерений, в котором использованы достоинства обоих видов измерений. Это позволило по фазовым измерениям обнаруживать более тонкие эффекты возмущений. При таком подходе, используя точные высокочувствительные измерения фазовых задержек сигналов, обеспечивается возможность достоверного анализа поведения ПЭС для спокойной и возмущенной ионосферы.
Одна из проблем, которая возникает при использовании фазовых измерений, связана с восстановлением фазы во время срывов сигналов. Существующие методы решения этой задачи, разрабатываемые в прецизионных геодезических измерениях, основывается на использовании одновременных измерений на разнесенных станциях. В нашем случае эта задача была решена по наблюдениям одной станции. Для этого были использованы программы первичной обработки, с помощью которых осуществляется подготовка данных.
Обработка данных наблюдений, которая заключается в восстановлении суточного хода ПЭС и определении аппаратурных поправок, была проведена отдельно по каждой станции.
Одним из методов получения планетарного распределения ПЭС является подход, который реализуется при построении глобальных карт ПЭС [Brian et al, 1995]. В нем используется алгоритм многостанционной обработки, в котором участвуют одновременно измерения по всей сети станций. При таком подходе неизбежно теряются региональные особенности поведения ПЭС и "смазывается" картина проявления магнитной бури на отдельной станции.
Вариации ПЭС от суток к суткам
В данном параграфе представлены результаты первых наблюдений сигналов GPS в диапазоне частот 1,2/1,6 ГГц в Мурманске (68,85N 33,09Е), наблюдения проводились Полярным геофизическим институтом. Это первые такого рода наблюдения в России, проведенные для высокоширотной станции. В наблюдениях использовался двухчастотный приемник, в котором благодаря использованию корреляционной обработки сигналов обеспечивается измерение разностных групповых задержек даже в условиях закрытого для гражданских потребителей дальномерного кода.
Из-за различия задержек сигнала в частотных каналах приемника и спутника для определения абсолютной величины задержки кодовые измерения требуют коррекции на априори неизвестную дифференциальную аппаратурную задержку, которая, как показывает проведенный анализ, слабо меняется на протяжении нескольких суток.
Для восстановления абсолютной величины ионосферной задержки по исходным кодовым данным использовалась методика, которая была отработана на среднеширотных наблюдениях [Шагимуратов и др., 1996]. Алгоритм позволяет выделить из общей величины задержки аппаратурную и ионосферную части. На точность их определения могут влиять нерегулярные градиенты в ионосфере. Несмотря на то, что ионосфера в высоких широтах существенно неоднородна по структуре, алгоритм позволяет восстановить из исходных GPS-измерений суточный ход ПЭС над станцией наблюдения. Для анализа данных был разработан алгоритм и программная реализация комплексной, совместной обработки групповых и фазовых измерений. Алгоритм позволил в полной мере использовать те преимущества, которыми обладает каждый из видов измерений. При этом была реализована возможность использования относительных, но высокоточных фазовых измерений для получения данных об абсолютном значении ПЭС. Это в свою очередь позволило корректно выявить эффекты возмущений в вариациях ПЭС и провести достоверное сопоставление поведения полного электронного содержания для спокойных и возмущенных дней.
Как известно, высокоширотная ионосфера является наиболее значимой областью с точки зрения развития магнитной бури. В то же самое время известно, что в период возмущения на высоких широтах данные по вертикальному зондированию мало информативны. В этих обстоятельствах GPS является наиболее эффективным средством диагностики состояния полярной ионосферы. Проведенные исследования показали, что в условиях авроральной ионосферы GPS-информативность сохраняется. Несмотря на существенно неоднородную структуру полярной ионосферы, тем не менее удается восстановить суточный ход полного электронного содержания для высокоширотных станций [Baran, Shagimuratov, Ephishov and Tepenitzina, 1997; Chernyakov et al., 1999; Черняков и др., 1999; Shagimuratov, Chernyakov, Ephishov, 1999].
Первые результаты по исследованию вариаций ПЭС во время бури [Но et al., 1998] строились по данным сети IGS с ограниченным числом северных станций. Предложенный в работе подход для исследования высокоширотной ионосферы позволяет работать с любой северной станцией.
Исследование ионосферных возмущений является одним из главных направлений в физике ионосферы, к нему привлечено внимание многих исследователей. Эффекты магнитных бурь являются предметом для развития и усовершенствования глобальных моделей ионосферы [Шубин и др., 1997; Sojka, 1998; Fuller-Rowell et al., 1998; Muhtarov, 1998]. В основном эти исследования строятся на измерении foF2 сети станции вертикального зондирования ионосферы. В работе [Yeh et al., 1994] и ряда других для анализа бури привлекались так же измерения ПЭС. Однако эти данные охватывали ограниченное число станций. Измерения ПЭС основывались на методе Фарадея с использованием сигналов геостационарных спутников. К сожалению, в последнее время имеется тенденция к сокращению этих видов наблюдений. Кроме того, на высоких широтах ионозондовые измерения мало эффективны во время бурь.
Мощным источником наблюдательного материала становятся измерения ПЭС с использованием глобальной сети станции по наблюдению GPS -сигналов. Их достоинство заключается в глобальности, непрерывности и перспективности. Существенно то, что GPS обеспечивает диагностику высокоширотной ионосферы независимо от геофизических условий.
Пионерскими являются работы по использованию GPS для исследования полярной ионосферы. По GPS-наблюдениям высокоширотных станций TROM, KIRU , Мурманск показана динамика ПЭС на высоких широтах в зависимости от геофизических условий. По одновременным наблюдениям на разнесенных станциях выявлена тонкая структура полярной ионосферы с наличием крупно- и среднемасштабных неоднородностей во время возмущений [Baran, Shagimuratov, Ephishov and Tepenitzina, 1997; Chernyakov, Shagimuratov and Baran, 1999].
На рисунках 2.2.4. приведены вариации групповой и фазовой задержки (в метрах) и допплеровский сдвиг частоты (в м/мин) для отдельных пролетов спутников над станцией Мурманск в августе 1998 года. Под рисунками приведены углы возвышения, а также широта и долгота подионосферной точки. Для этого периода в вариациях задержек для конкретных пролетов наблюдается увеличение неоднородной структуры ионосферы. Для северных спутников значительно вырос в этот день и уровень мерцаний фазы сигнала.
Первые наблюдения показывают, что GPS является эффективным инструментом диагностики и регулярного мониторинга состояния ионосферы на высоких широтах, в том числе и в случаях, когда диагностика с использованием вертикального зондирования невозможна по геофизическим условиям.
Сравнение ПЭС для спокойного и возмущенного периода по станции Мурманск В данном пункте рассмотрим суточные вариации ПЭС для спокойного и возмущенного периода августа 1998 года по высокоширотной российской станции Мурманск (68,85N 33,09Е). Для спокойных геомагнитных условий анализировались данные за 11 августа 1998 года, когда К индекс на станции Ловозеро (68N, 35Е) (это база Полярного геофизического института, расположенная недалеко от Мурманска) равнялся 2 [Vorobjev, 1998]. Возмущенные условия отразились в наблюдениях за 22 и 23 августа 1998 г. На рис.2.2.5 представлены вариации геомагнитного поля за 22 и 23 августа 1998 г. Максимальное значение индекса достигает б единиц.
Дневной ход полного электронного содержания, полученный по GPS-наблюдениям по станции Мурманск для рассматриваемых периодов отражен на рис.2.2.6.
В первый день возмущения 22 августа, отчетливо виден остроконечный рост ПЭС (положительное возмущение), который превысил значение ПЭС для спокойного дня в 1,5-1,6 раза. Превышение возмущенного уровня над спокойным начинается около шести часов UT, максимальная фаза находится около 10 UT.
Поведение ПЭС ионосферы над Европой для 11 августа 1999 г. во время солнечного затмения
Для пространственного анализа поведения ПЭС ионосферы во время солнечного затмения и построения карт ПЭС использовались GPS-наблюдения, собранные с 70 Европейских станций. В среднем расстояние между станциями меньше, чем 300 км. Существующая сеть Европейских станций GPS-наблюдений позволяет строить карты ПЭС с высоким пространственным разрешением.
Карты вертикального ПЭС ионосферы над Европой представлены на рис.2.5.4. Так как полное солнечное затмение динамичное явление, то была произведена частая съемка данных измерений для обработки и построения 15-минутных осредненных карт. Так как погрешность групповых измерений подвержена эффекту многолучевости, то в качестве измерений были взяты фазовые измерения, которые обладают большей высокоточностью. В целом пространственное распределение ПЭС ионосферы согласуется с поведением ПЭС на разнесенных станциях. В 09:30 UT над Европой можно увидеть на первой карте ПЭС крупномасштабные волноподобные структуры, который двигаются с огромной скоростью вдоль направления пути солнечного затмения, и вместе с тенью солнечным затмения. С 09:30 перед наступлением полной фазы солнечного затмения ПЭС ионосферы начинает понижаться с запада Европы. Двигаясь вместе с тенью (на картах центр тени Луны отмечен черным кружком) понижение ПЭС ионосферы продвигается в юго-восточном направление. Задержка в отклике ПЭС также растет по направлению к юго-востоку. Это также было отмечено [Jakowski et al., 1999]. Около 11:45 UT значение ПЭС в западной части Европы восстановилось до уровня, предшествующего солнечному затмению. В юго-восточной части Европы ПЭС ионосферы восстановилось после 14 часов. Карты ПЭС отчетливо показывают изменение пространственной структуры ионосферы во время солнечного затмения 11 августа 1999г.
В данном параграфе рассмотрено пространственное восстановление ПЭС ионосферы над Скандинавским регионом для слабовозмущенного дня 11 сентября 1999 г. (суммарный индекс возмущения ЕКр=16) и во время геомагнитной бури 12-13 сентября 1999г.(Жр=30иЕКр=38). . сентября 1999 г., первая карта соответствует 00:00 UT, последняя — 23:00 UT. На картах хорошо прослеживается рост значения полного электронного содержания ионосферы от утренних часов к полудню, и затем плавное уменьшение значение ПЭС ионосферы к ночному времени. Как видно, в полуденные часы содержание ПЭС ионосферы на более южных широтах несколько выше чем на северных.
На рис.2.5.7.а. приведены почасовые карты ПЭС ионосферы для возмущенного дня 12 сентября 1999 г., первая карта соответствует 00:00 UT, последняя — 23:00 UT. Как видим, за 12.09.1999 г. есть ночное повышение значение ПЭС ионосферы по сравнению со спокойным днем. Для утренних и полуденных часов на субавроральных широтах наблюдается значительное повышение значения ПЭС по сравнению с 11 сентябрем. На субавроральных широтах после полуденного времени наблюдается уменьшение значения ПЭС ионосферы (по сравнению со спокойным периодом), и в следующие часы (17:00 UT) появляется структура типа ионосферного провала, которая постепенно перемещается на более южные широты, что согласуется с другими видами измерений. В ночное время (21 UT, 22 UT) наблюдается повышенное значение полного электронного содержания по сравнению со спокойным днем.
Используя наблюдения с широко разветвленной международной сети станций по исследованию геодинамики (IGS), число станций которой непрерывно растет, нам удалось построить карты пространственного распределения ПЭС ионосферы, с использованием сигналов спутников глобальной навигационной системы GPS, в региональном масштабе с высоким разрешением как по широте, так и долготе; по разработанному методу были получены новые данные о структуре и динамики высокоширотной ионосферы во время возмущения. Кроме того, впервые по данным GPS-наблюдениям исследована структура главного ионосферного провала и его динамика в зависимости от геофизических условий. На рис.2.5.8. представлены широтные разрезы ПЭС ионосферы на долготах 10, 20 и 30 для возмущенного дня 13 сентября 1999 г. для различных моментов мирового времени (17:00 — 23:00 UT). Как видим на более восточных долготах наблюдается большее понижение ПЭС. Со временем происходит смещение наблюдаемого провала на более южные широты, одновременно на рассматриваемых широтах плавно уменьшается и абсолютная величина ПЭС ионосферы. Высокое временное разрешение (предложенный алгоритм, позволяет строить карты ПЭС ионосферы с 15-минутным осреднением) позволило получить новые данные о динамике распределения ПЭС ионосферы во время возмущения.
Зарубежные авторы [Musman et al., 1998] исследовали ПЭС ионосферы над Северной Америкой во время магнитной бури 10 января 1997 г. Предложенный ими 60 70 80 60
В заключении сформулируем основные результаты работы:
1) разработан новый метод исследования и диагностики состояния ионосферы, позволяющий решить проблему выделения ионосферной части задержки непосредственно из исходных измерений псевдодальностей по GPS-наблюдениям.
2) впервые в России разработаны и реализованы комплексы программ и оригинальных алгоритмов обработки радиосигналов навигационных спутников системы GPS, с помощью которых проводится регулярная диагностика состояния ионосферы.
3) получены новые данные о распределение ПЭС при спокойных и возмущенных условиях. За счет реализации высокого пространственного и временного разрешения измерений выявлены региональные особенности в поведение ПЭС во время бурь. Показано, что эти особенности могут быть обусловлены эффектами крупномасштабных перемещающихся ионосферных возмущений.
4) проведено исследование ионосферных задержек сигналов спутников системы GPS в высоких широтах по результатам первых экспериментов, проведенных в России, на высокоширотной станции Мурманск.
5) разработана прогностическая модель полного электронного содержания ионосферы для средних широт Европейского региона.
6) за счет реализации высокого пространственно-временного разрешения измерений по GPS-наблюдениям получена динамика распределения ПЭС во время полного солнечного затмения 11 августа 1999г.
7) используя GPS-наблюдения по сети Европейских станций получены новые данные о структуре авроральной и субавроральной ионосферы для возмущенных условий. Впервые по GPS-наблюдениям выявлена структура главного ионосферного провала и его динамика для разных геофизических условий.
Похожие диссертации на Разработка метода диагностики состояния ионосферы по измерениям задержек сигналов спутников системы GPS
