Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общие сведения. 19
1.1. Сведения о спутниковой радиотехнической навигацион ной системе GPS. 19
1.1.1. Состав навигационной системы GPS. 19
1.1.2. Структура навигационных радиосигналов GPS. 20
1.1.3. Принцип функционирования GPS. 21
1.1.4. Фазовые измерения псевдодальности. 23
1.2. Обзор работ по качеству функционирования системы GPS. 25
Глава 2. Методика эксперимента. 29
2.1. Глобальная сеть двухчастотных приемников GPS. Получение по Internet данных в формате RINEX. 29
2.2. Измерение полного электронного содержания ионосферы по двухчастотным фазовым измерениям псевдодальности. 31-.
2.3. Автоматизированный программный комплекс глобально го GPS-детектора ионосферных возмущений. 34
2.3.1. Первичная обработка данных. 37
2.3.2. Вторичная обработка данных. 38
2.4. Методика обработки данных. 39
2.4.1. Некогерентное накопление спектров. 39
2.4.2. Анализ сбоев, возникающих в работе GPS приемников. 40
Глава 3. Статистика сбоев измерений фазового и группового запаз дывания сигналов спутниковой навигационной системы GPS . 43
3.1. Сбои измерений фазового и группового запаздывания в спутниковой навигационной системе GPS при невозмущенной ионосфере. 43
3.2. Сбои измерений фазового и группового запаздывания в спутниковой навигационной системе GPS при возмущенной ионосфере . 59
3.3. Зависимость относительной плотности сбоев измерений фазового запаздывания в системе GPS от значения индекса Dst. 88
3.4. Сравнение полученных результатов с ранее известными работами. 90
Глава 4. Влияние возмущений ПЭС в ионосфере на эффективность функционирования навигационной системы GPS . 94
4.1. Изменчивость ионосферы, ионосферные эффекты распространения радиоволн и их влияние на функционирование современных радиоэлектронных средств. 94
4.1.1. Особенности распространения радиоволн ДМВ- диапазона по трассе «Земля-Космос». 95
4.1.1.1. Фазовое и групповое запаздывание радиоволн в ионосфере . 95
4.1.1.2. Влияние ионосферы на частоту радиоволны. 98
4.1.2. Пространственно-временная изменчивость полного электронного содержания. 102
4.1.2.1. Регулярные изменения полного электронного содержания. 104
4.1.2.2. Нерегулярные вариации полного электронного содержания. 105
4.1.3. Влияние ионосферы на качество функционирования некоторых современных радиоэлектронных средств. 115
4.2. Связь сбоев измерений в системе GPS и распределения абсолютных значений вертикального полного электронного содержания . 121
4.3. Связь амплитуды вариации полного электронного содержания сбоев измерений фазы GPS. 123
4.4. Спектр мощности вариаций полного электронного содержания по данным глобальной сети GPS. 127
4.5. Связь сбоев фазовых дальномерных измерений приемников GPS и динамики аврорального овала. 136
4.6. Сравнение результатов экспериментальных исследований возникновения и развития неоднородностей ПЭС с помощью Иркутского радара HP с данными ионозонда и GPS. 143 Заключение. 159
Благодарности. 160
Библиография; 161
- Структура навигационных радиосигналов GPS.
- Сбои измерений фазового и группового запаздывания в спутниковой навигационной системе GPS при возмущенной ионосфере
- Фазовое и групповое запаздывание радиоволн в ионосфере
- Связь сбоев измерений в системе GPS и распределения абсолютных значений вертикального полного электронного содержания
Введение к работе
Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) — американская GPS [77] и российская ГЛОНАСС [39] - стали в настоящее время мощным фактором мирового научно-технического прогресса и широко используются в различных направлениях человеческой деятельности, в том числе в решении ряда прикладных задач. В связи с этим большое внимание уделяется непрерывному совершенствованию СРНС, что невозможно без детального изучения надежности их функционирования и помехозащищенности, особенно при эксплуатации в экстремальных условиях (например, во время сильных геомагнитных возмущений).
Деградация радиосигналов и ухудшение качества функционирования СРНС во время возмущений околоземного космического пространства (ОКП) являются одними из важнейших факторов влияния космической погоды на эффективность работы спутниковых систем (наряду с другими факторами, такими, как электризация космических аппаратов, неравномерное торможение ИСЗ, пробои электроники ИСЗ высокоэнергичными частицами и т.д.). В системе GPS наиболее ярким проявлением этого фактора является наличие сбоев измерений фазового (cycle slips [72, 77]) и группового запаздывания, связанных со срывом сопровождения сигнала (Lost of lock [72, 77]) при низком уровне отношения сигнал/шум.
Существование ионосферы как среды, в значительной степени состоящей из заряженных частиц, является важным фактором, оказывающим влияние на распространение радиоволн. Распространение радиоволн в ионосферной плазме зависит от полного электронного содержания (ПЭС) вдоль траектории распространения радиоволны.
Таким образом, задача исследования влияния нерегулярных изменений окружающего космического пространства на эффективность функционирования спутниковых навигационных систем является актуальной.
При проведении подобных исследований требуются большие финансовые и временные затраты, направленные на создание полигонов, расположенных в различных районах земного шара, на изготовление больших партий приемников GPS-ГЛОНАСС различных типов, создание специальных программно-аппаратных средств и систем для обработки данных, получаемых с приемников СРНС.
Между тем, в мире существует и эксплуатируется глобальная сеть двухчастотных GPS приемников, данные с которых с временным разрешением 30 с. централизованно поставляются на сервер SOPAC [67] в стандартном формате RINEX [72], после чего они доступны для анализа и использования по сети Internet. Данная сеть непрерывно расширяется и к январю 2003 т. насчитывала более 1000 зарегистрированных приемников GPS, а сервер SOP АС содержит данные круглосуточных измерений приемников более чем за семь лет [72, 73]. Полученная таким образом база данных представляет собой уникальный материал для проведения исследований.
Известно несколько работ, в которых исследование эффективности GPS в экваториальной и авроральной зонах проводилось с помощью специальных приемников GPS [88, 59, 60, 63, 89, 90]. Недостатком этих работ является малая статистика данных.
В ИСЗФ СО РАН разработана технология и создан автоматизированный программный комплекс, предназначенный для глобального детектирования и мониторинга ионосферных возмущений естественного и техногенного происхождения (GLOBDET), а также для исследований эффективности функционирования системы GPS в различных геофизических условиях [1]. С помощью данного комплекса появилась возможность устранения недостатков и пробелов предыдущих исследований.
С использованием комплекса GLOBDET в диссертации [35] были представлены результаты исследования зависимости относительной плотности сбоев только фазовых измерений в системе GPS от уровня возмущения
магнитосферы Земли на примере 5 дней, полученные при совместной работе с автором настоящей диссертации. Недостатком работы [35] было отсутствие измерений всего основного набора параметров сигнала GPS (необходим анализ не только фазового, но и группового запаздывания, пропусков отсчетов и т.д.). Кроме того, в работе [35] нет детального анализа причин сбоев измерений.
Целью настоящей диссертации является исследование влияния геомагнитных возмущений на измерения фазового и группового запаздывания сигналов навигационной системы GPS на основе многолетней статистики измерений глобальной сети двухчастотных приемников GPS.
Предметом настоящей диссертации являются сбои измерений фазового и группового запаздывания сигналов GPS.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
создание набора данных сбоев измерений сигналов и вариаций полного электронного содержания (ПЭС), определенных по данным глобальной сети GPS за период 1998-2003 гг., необходимого для исследования зависимости относительной плотности сбоев измерений фазового и группового запаздывания в навигационной системе GPS от уровня возмущения ионосферы Земли;
получение статистики относительной плотности сбоев измерений фазы и дальномерного псевдослучайного Р-кода и С/А-кода в навигационной системе GPS в различных геофизических условиях;
изучение связи сбоев измерений фазового и группового запаздывания в системе GPS с изменениями характеристик спектра вариаций ПЭС на средних широтах и на границе авроральной зоны, полученными при трансионосферном зондировании сигналами GPS, а также с локальными характеристиками ионосферы по данным радаров некогерентного
рассеяния (Иркутск, Millstone Hill) и цифрового ионозонда DPS-4 (Иркутск). Научная новизна исследования:
На основе многолетней статистики данных глобальной сети GPS впервые установлено, что во время магнитных бурь на средних широтах заметно возрастает относительная плотность сбоев измерений фазового и группового запаздывания сигналов навигационной системы GPS независимо от типа приемника.
Впервые показано, что на средних широтах спектры вариаций полного электронного содержания в диапазоне периодов от 2 с. до 20 мин имеют степенной вид, а при геомагнитном возмущении изменяется амплитудный масштаб (до 20 раз) и наклон спектра (с к = -1,19 до к = -3,06).
Впервые показано, что во время магнитных бурь перемещение авро-рального овала на средние широты сопровождается увеличением плотности сбоев измерений фазового и группового запаздывания сигналов навигационной системы GPS.
Достоверность результатов
Достоверность результатов, описанных в диссертации, подтверждается исследованиями, проведенными в предложенных методах, их проверкой в экспериментах, а также представительной статистикой наблюдений.. Полученные в экспериментах физические характеристики находятся в качественном и количественном согласии с результатами независимых исследований, опубликованными ранее другими авторами.
Практическая ценность работы
Практическая ценность диссертации состоит в том, что полученные результаты и разработанные методы могут быть использованы для создания модели влияния возмущений ионосферы на функционирование навигационных систем GPS и ГЛОНАСС. Результаты работы могут быть использованы
в навигационных задачах определения местоположения объектов различного назначения.
Личный вклад автора
Основные результаты работы являются оригинальными и получены лично автором или при его непосредственном участии. Автор принимал непосредственное участие в:
изучении относительной плотности сбоев фазового запаздывания в навигационной системе GPS в различных геофизических условиях;
изучении влияния изменения спектральных характеристик вариаций ПЭС на сбои измерений в системе GPS;
изучении связи динамики авроральной активности и сбоев измерений фазового запаздывания в системе GPS.
Автору принадлежат результаты исследований:
относительной плотности сбоев измерений группового запаздывания, определенных по псевдослучайному Р-коду и С/А-коду в навигационной системе GPS для основных типов приемников GPS и в различных геофизических условиях;
связи сбоев измерений фазового и группового запаздывания в системе GPS и распределения абсолютных значений вертикального полного электронного содержания (по данным IONEX);
качественной степени связи сбоев измерений фазового и группового запаздывания в системе GPS и явления обратного эха УКВ сигналов радаров некогерентного рассеяния (Иркутск, Millstone Hill);
качественной степени связи сбоев измерений фазового и группового запаздывания в системе GPS и явления блэкаута сигналов ионозонда DPS-4 (Иркутск).
Апробация работы
Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались: на Байкальской научной молодежной школе по фундаментальной физике БШФФ-00 "Астрофизика и физика микромира", Иркутск, 2000; European Geophysical Society, XXVI General Assembly, Nice, France, 2001; The International Union of Radio Science, International Beacon Satellite Symposium, Boston, 2001; A Workshop on Space Weather Effects on Communication and Navigation Signals, Boston, 2001; на VII международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь", Воронеж, 2001; VIII объединенном международном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы", Иркутск, 2001; Всероссийской конференции по физике солнечно-земных связей, Иркутск, 2001; XX всероссийской конференции по распространению радиоволн, Нижний Новгород, 2002; IX международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь", Воронеж, 2003; Всероссийской конференции "Дистанционное зондирование поверхности земли и атмосферы", Иркутск, 2003, а также на семинарах в ИВАИИ, ИСЗФ СО РАН и на физическом факультете Иркутского госуниверситета.
Основные положения, выносимые на защиту:
Статистические данные сбоев измерений фазового и группового запаздывания GPS и вариаций полного электронного содержания, охватывающие как спокойные, так и возмущенные ионосферные условия не только на экваторе и в полярной области, но и на средних широтах.
Во время магнитных бурь возрастает относительная плотность сбоев измерений фазового и группового запаздывания сигналов навигационной системы GPS независимо от типа приемника. Уровень сбоев для GPS приемников, расположенных на подсолнечной стороне Земли, в 5-10 раз больше, чем на противоположной стороне Земли.
3. Во время магнитных бурь перемещение аврорального овала на средние широты сопровождается увеличением плотности сбоев измерений фазового и группового запаздывания сигналов навигационной системы GPS.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического указателя, содержащего 96 ссылок. Общий объем диссертации -170 страниц, включая 23 таблицы и 50 рисунков.
Структура навигационных радиосигналов GPS.
В СРНС GPS передатчики ИСЗ излучают два непрерывных сигнала на частотах fj и їг диапазона L. Несущая частота f] состоит из двух квадратурных компонентов. Первая модулируется двумя двоичными последовательностями (дальномерный псевдослучайный Р-код и информационная последовательность линии передачи данных), складывающимися по модулю 2. Вторая также модулируется двумя двоичными последовательностями (дальномерный псевдослучайный С/А-код и информационная последовательность), складывающимися по модулю 2. Обе информационные последовательности содержат информацию об эфемеридах ИСЗ, системном времени, поведении часов ИСЗ, статусе сообщения и др. Несущая частота f2 имеет один компонент и модулируется двумя двоичными последовательностями (как правило, дальномерный псевдослучайный Р-код или С/А-код и информационная последовательность линии передачи данных), складывающимися по модулю 2. Скорость передачи данных информационных последовательностей 50 бит/с. Используется фазовая манипуляция (ФМ) несущих частот. Все ИСЗ используют одни и те же частоты, но каждый свои коды, поскольку свойства рассмотренных кодов таковы, что они надежно позволяют разделять сигналы различных ИСЗ между собой, т.е. используется кодовое разделение каналов. Основным навигационным дальномерным кодом является точный Р-код. Он представляет собой двоичную псевдослучайную последовательность длиной в 7 суток, передаваемую со скоростью 10.23 Мбит/с. При включении режима A/S (Antispoofing) вместо этого кода будет использоваться закрытый Р(У)-код, длительность которого составляет 267 суток. С/А-код (Clear (Coarse)/Acquisition), иногда переводимый как «легкий (грубый) захват», представляет собой псевдослучайную последовательность длиной 1 мс с тактовой частотой 1.023 МГц и первоначально использовался для первого вхождения аппаратуры потребителя в режим слежения с последующим переходом к Р-коду. В информационной последовательности сигналов GPS содержится информация об эфемеридах ИСЗ позволяющих рассчитать их координаты и составляющие скорости, альманах созвездия ИСЗ, частотно-временные поправки, метки времени, параметры ионосферной модели, сведения о работоспособности бортовой аппаратуры ИСЗ и др.
Таким образом, сигналы СРНС GPS занимают в L диапазоне две полосы шириной по 20,46 МГц, в центре которых находятся частоты f\=1575,42 МГц Аппаратура потребителя предназначена для приема сигналов от навигационных ИСЗ и для определения вектора навигационных параметров потребителя. Измеряемыми радионавигационными параметрами служат координаты и скорость в общем случае подвижного потребителя. Исходными параметрами для определения вектора состояния потребителя являются время задержки и фаза (или доплеровское смещение частоты) принимаемого радионавигационного сигнала относительно его образца, формируемого на борту потребителя. Измерение времени запаздывания и доплеровского смещения частоты принимаемого сигнала производится на основе корреляционного метода. Формируемая в приемнике копия сигнала ИСЗ перемножается с принятым сигналом, образуя корреляционную функцию. Поиск решения предполагает перебор всех возможных значений из области определений времени задержки и частоты. Для этого соответствующие области возможных значений задержки и частоты дискретизируются. Время задержки определяет кодовую последовательность С/А-кода опорного сигнала, а доплеровская частота - частоту несущего колебания. Для каждой пары значений (г,-;fjj формируется опорный сигнал и вычисляется двумерная корреляционная функция принятого навигационного и сформированного опорного сигналов. В качестве оптимальной оценки {г,-;./}) выбирается та пара, которая доставляет максимум выходного сигнала коррелятора, т.е. когда код и частота формируемой копии (образца) совпадают с принимаемым сигналом. Получаемый максимум функции корреляции пропорционален времени интегрирования в корреляторе. Выбором достаточно большого времени интегрирования достигается высокая точность измерения. Поиск максимума функции корреляции на плоскости "время-частота" тем надежнее, чем меньше уровень боковых лепестков корреляционной функции. В связи с тем, что сигналом является двоичная ФМ-последовательность большой длины (порядка 1000), уровень боковых лепестков корреляционной функции сравнительно мал и они практически не влияют на надежность поиска.
Для упрощения аппаратуры потребителя процедура вычисления и запоминания возможных значений корреляционной функции с последующим выбором максимального из них заменяется на алгоритм обнаружения сигнала в каждой анализируемой ячейке {г,.;/,} плоскости "время-частота". Для этого каждое значение корреляционной функции сравнивается с пороговым значением и принимается решение о наличии сигнала. При положительном решении вырабатывается команда на переход в режим непрерывного сопровождения по задержке и доплеровскои частоте. Если следящие системы успешно захватывают сигнал на сопровождение, то принимается решение о прекращении поиска, в противном случае процедура поиска возобновляется. В режиме непрерывного сопровождения осуществляется фильтрация значений времени задержки по точному Р-коду или стандартному С/А-коду, фильтрация фазы несущего колебания и оценка кодовой информационной последовательности переданного навигационного сигнала.
Сбои измерений фазового и группового запаздывания в спутниковой навигационной системе GPS при возмущенной ионосфере
Для анализа были выбраны 17 дней со слабой геомагнитной возмущен-ностью и 12 сильных магнитных бурь (ftp://ftp.gfz-potsdam.de/pub/home/obs/kp-ap/tab) периода 1999-2001 гг. со значениями индексов возмущения геомагнитного поля Dst от 0 до -300 нТл и Кр от 2 до 9. Статистика используемых в настоящей работе данных для каждого из анализируемых дней характеризуется приведенными в табл. ЗЛО сведениями о числе используемых станций Ns и числе пролетов п, в течение которых данный ИСЗ наблюдается на какой либо станции. Dst тш/тах и Кр min/max -min/max значения соответствующих индексов возмущения геомагнитного поля. Число пролетов п, по которым проведены усреднения данных, отмечено также на всех панелях рисунков. Проиллюстрируем сбои фазовых и кодовых дальномерных измерений спутниковой навигационной системы GPS при возмущенной ионосфере на примере большой магнитной бури 6-7 апреля и 15-16 июля 2000 г. На рис. 3.8, а и 3.8, г приводятся вариации Н-компоненты геомагнитного поля на станции Boulder (40,14 N; 254,74 Е), зарегистрированные во время магнитной бури 6-7 апреля и 15-16 июля 2000 г., отмечены пунктирной вертикальной чертой. На рис. 3.8, б и рис. 3.8, д приводятся вариации индексов геомагнитной активности Dst (толстая линия) и Кр (тонкая линия) для этих магнитных бурь. На рис. 3.8, в и рис. 3.8, е представлена зависимость от мирового времени UT относительной плотности сбоев P(t) режима L1-L2, полученная при усреднении данных всех ИСЗ в диапазоне долгот 200-300 Е и широт 30-50 N для приемника типа Ashtech во время магнитной бури 6-7 апреля и 15-16 июля 2000 г. соответственно. Четко прослеживается геомагнитный контроль увеличения плотности сбоев. При резком увеличении значений H(t) через 2-3 часа увеличивается относительная плотность сбоев P(t). Восстановление геомагнитной обстановки приводит к тому, что плотность сбоев P(t) принимает среднесуточное значение.
На рис. 3.9 представлена зависимость от мирового времени UT относительной плотности сбоев P(t) режима L1-L2 (слева) и L1 (справа), полученная при усреднении данных всех ИЄЗ в диапазоне долгот 200-300 Е независимо от типа приемников GPS для магнитной бури 6-7 апреля 2000 г. В данном случае с целью более четкого детектирования эффекта влияния внезапного начала магнитной бури на зависимость P(t) мы выбрали только те станции GPS, которые находились на дневной стороне Земли в момент начала магнитной бури (территория Северной Америки). Кроме того, можно отметить четко выраженный эффект резкого увеличения плотности сбоев сразу после начала магнитной бури. Как видно из рис. 3.9, б, в этот день на средних широтах сбои фазовых измерений навигационной системы GPS носят явно выраженную суточную зависимость. Среднее по всем ИСЗ и станциям GPS среднесуточное значение относительной плотности сбоев Р для данной магнитной бури оказалось равным 1,143 %. Для высоких широт среднесуточное значение относительной плотности сбоев Р для данной магнитной бури оказалось равным 0,5 % (рис. 3.9, а). В экваториальной зоне плотность фазовых сбоев превышает среднеши-ротное значение P(t) как минимум в 2 раз (рис. 3.9, в). При одночастотном режиме работы, на основной частоте L1 (рис. 3.9, г, 3.9, д, 3.9, е), сбои фазовых измерений навигационной системы GPS ведут себя подобно. Но их значения как минимум в 10 раз меньше. Можно предположить, что сбои измерения разности фаз L1-L2, скорее всего, вызваны высоким уровнем сбоев на вспомогательной частоте L2, так как амплитуда сигнала на частоте L2 в 10 раз меньше, чем амплитуда сигнала на частоте L1 [77,39]. Среднесуточные значения Р и максимальные значения Ртах относительной плотности сбоев режима L1-L2 и L1 для этих диапазонов широт по всем ИСЗ и станциям GPS приведены в табл. 3.10. Аналогичные результаты получены для большой магнитной бури с внезапным началом 15-16 июля 2000 г. (рис. ЗЛО, табл. 3.12). Единственным различием является то, что 15-16 июля 2000 г. для высоких широт среднесуточное значение относительной плотности сбоев Р режима L1-L2 оказалось равным 1,14 % (рис. 3.10, а, табл. 3.12), а режима L1 равным 0,168 % (рис. 3.10, г, табл. 3.12). Что в полтора раза и на порядок больше, чем относительная плотность сбоев в этот же день на средних широтах (рис. 3.10, д, табл. 3.12) ив экваториальной области (рис. 3.10, е, табл. 3.12) соответственно.
Фазовое и групповое запаздывание радиоволн в ионосфере
В настоящее время широкое распространение получили радиотехнические системы, функционирующие с использованием канала распространения радиоволн «Земля-космос». К этим системам можно отнести современные средства спутниковой радиосвязи, радионавигации и локации наземных объектов с помощью радиолокационных станций космического базирования. Данные средства функционируют в дециметровом (ДМВ) диапазоне электромагнитных волн (300-3000 МГц). Использование перечисленных радиоэлектронных средств для решения современных прикладных задач выдвигает высокие требования к качеству, оперативности и точности их решения. Удовлетворение этих требований требует учета даже незначительных, на первый взгляд, погрешностей в функционировании данных систем. Одним из главных источников таких погрешностей является ионосфера, оказывающая негативное влияние на распространение радиоволн ДМВ диапазона. При распространении электромагнитных волн через ионосферу как среду, состоящую из заряженных частиц, наблюдается ряд системных эффектов, которые могут быть причиной возникновения существенных искажений параметров волны и оказывать отрицательное влияние на эффективность и качество функционирования современных РЭС. Рассмотрим основные особенности трансионосферного распространения радиоволн, а также их влияние на качество функционирования некоторых современных РЭС и методы компенсации ионосферных погрешностей.
Под диапазоном ДМВ будем понимать интервал длин волн 1- 0,1 ми, соответственно, частот 300-3000 МГц. Различные ионосферные эффекты, оказывающие влияние на распространение радиоволн указанного диапазона, в большой степени связаны с распространением по трассе «Земля-Космос» [22]. Следует отметить, что все значимые параметры радиоволны (амплитуда сигнала, поляризация и фаза волны) подвергаются дополнительным изменениям при распространении через ионосферу. Большинство из эффектов, связанных с распространением радиоволны через ионосферу, за исключением эффектов рассеяния и мерцаний, которые зависят от тонкой структуры ионосферы, непосредственно связаны с полным электронным содержанием вдоль траектории распространения и скоростью его изменения [22]. В числе этих эффектов наиболее значимыми для распространения радиоволн ДМВ диапазона являются фазовое и групповое запаздывание, доплеровское смещение частоты и поворот плоскости поляризации радиоволны. Рассмотрим более подробно каждый из перечисленных эффектов. Скорость распространения радиоволн в ионосфере отличается от скорости света в вакууме, и лучевые траектории искривлены [41]. В связи с этим истинное расстояние между передающим и приемным пунктами (L(j), один из которых находится в Космосе, а второй на Земле, будет меньше измеренного по времени распространения радиосигнала на некоторую величину (ЛЬ). Необходимость учета влияния ионосферы на изменение длины лучевой траектории может возникать при высокоточных определениях траектории спутни ков и при навигационных определениях координат наземных объектов по сигналам спутников. Еще большее требование к точности измерения расстояния L0 предъявляется при геодезических определениях координат по сигналам навигационных спутников. В службе точного времени сигналы спутников используются для счисления часов в далеко разнесенных пунктах, при этом также необходимо учитывать запаздывание при распространении радиоволн через ионосферу Земли. Кажущееся расстояние (L), вычисленное вдоль искривленной лучевой траектории, можно определить следующим образом [41]: Здесь v - групповая скорость распространения радиоволн, dl- элемент длины пути на искривленной лучевой траектории, Ne(h) распределение электронной концентрации по высоте. Истинное расстояние между передающим и приемным пунктами Ц есть где dl0 -элемент длины пути на неискривленной лучевой траектории.
Кажущееся увеличение расстояния за счет влияния ионосферы ЛЬ при его определении радиотехническими методами в соответствии с (4.1) и (4.2) будет равно Разность двух интегралов, выделенных в этом выражении скобками, пренебрежимо мала по сравнению с первым членом, поэтому Рассмотрим теперь выражение для дифференциала элемента длины пути dl на искривленном луче, которое можно представить в следующем виде где Zff- зенитный угол лучевой линии у поверхности Земли, п- коэффициент преломления на высоте А, щ -коэффициент преломления у поверхности Земли, Яф - радиус Земли. Выражение (4.5) учитывает искривление луча из-за рефракции. Поскольку влияние рефракции на величину ЛЬ обычно невелико, если z0 80 [41], то в данном выражении можно принять п =1. В этом случае имеем При анализе влияния ионосферы на величину запаздывания можно несколько упростить выражение (4.6), приняв h=hms тогда имеем Здесь hm- высота главного ионосферного максимума электронной концентрации, zm - зенитный угол луча на высоте Ит. Выражение (4.7) учитывает сферичность Земли, оно применимо при Zo 80. С учетом (4.1)- (4.7) можно получить следующее выражение для определения величины ЛЬ: Обратимся далее к анализу влияния ионосферы на величину ЛЬ. Запишем приближенное выражение для определения коэффициента преломления в ионосфере:
Связь сбоев измерений в системе GPS и распределения абсолютных значений вертикального полного электронного содержания
Существование ионосферы как среды, в значительной степени состоящей из заряженных частиц, является важным фактором, оказывающим влияние на распространение радиоволн. Распространение радиоволн в ионосферной плазме зависит от полного электронного содержания (ПЭС) вдоль траектории распространения радиоволны. Радиоволны, проходящие через ионосферу, испытывают рассеяние на неоднородностях электронной концентрации. При этом происходят нерегулярные флуктуации фазы и амплитуды сигнала. Флуктуации фазы и амплитуды сигнала зависят от флуктуации электронной концентрации. Поэтому в области с повышенным значением электронной концентрации флуктуации фазы и амплитуды сигнала намного сильнее. Это приводит к увеличению значения относительной плотности сбоев фазовых дальномерных измерений навигационной системы GPS в данном регионе. В последнее времяг рядом авторов [84, 92] создана новая технология построения глобальных карт абсолютного «вертикального» значения ТЕС по данным международной сети IGS-GPS (технология Global Ionospheric Maps, GIM). В совокупности с возможностью получения этих карт в стандартном формате IONEX по сетям Internet, технология GIM дала исследователям новое мощное средство изучения крупномасштабных ионосферных процессов в спокойных и возмущенных условиях в глобальном масштабе. С использованием этой технологии получены такие новые данные о глобальном развитии крупномасштабных ионосферных возмущений во время больших ионосферных бурь, какие невозможно было получить ранее по данным традиционных средств типа ионозондов или даже радаров некогерентного рассеяния [75, На рис. 4.9 приведена карта ПЭС в диапазоне широт 30-5-60 N и долгот -бО-ь-1600 Е для интервала времени 16-24 UT 15 июля 2000 г.
Из рисунка видно, что значения ПЭС постепенно увеличиваются и достигают максимума с 22 до 24 UT для диапазона -100ч--120 Е 30-ь32 N. Для этого же диапазона получены максимальные значения относительной плотности сбоев фазовых измерений GPS для всех типов приемников (рис. 4.10). Полученные в данном разделе результаты свидетельствуют о том, что в областях с максимальным значением вертикального полного электронного содержания наблюдается максимальное значение относительной плотности сбоев дальномерных измерений навигационной системы GPS. Программный комплекс GLOBDET позволяет отобрать ряды данных ПЭС, которые не содержат срывы фазы. В результате обработки мы получаем региональный индекс степени возмущения А, который равен среднему значению среднего квадратического отклонения (с.к.о.) вариаций ПЭС в диапазоне периодов 20-60 мин и 2-10 мин. Оценка амплитуды вариаций ПЭС A(t) в диапазоне периодов 20-60 мин и 2-10 мин производилась путем усреднения по п трассам «спутник-приемник» вариаций ПЭС для интервалов времени длительностью 2,5 часа со сдвигом 1 час. На рис. 4.11, а для магнитной бури 6-7 апреля 2000 г. представлены вариации H(t) горизонтальной компоненты магнитного поля (толстая кривая Приводимые ниже зависимости A(t) (рис. 4.116 — тонкая кривая для диапазона периодов 2-10 мин, толстая кривая - 20-60 мин) получены путем усреднения по п=6738 трассам «спутник-приемник» вариаций ПЭС для интервалов времени длительностью 2,5 часа со сдвигом 1 час. Таким образом, за сутки с учетом данных предыдущего и последующего дня получается 24 отсчета зависимости A(t). На рис. 4.11, в дана зависимость P(t), полученная для всех ИСЗ и всех типов приемников (п=4360). Зависимости A(t) и P(t) построены для диапазона широт 30-50 N и долгот 200-300 Е. Аналогичные данные для другой мощной магнитной бури 15-16 июля 2000 г. представлены на рис. 4.11, г, 4.11, д, 4.11, е.
Представленные на рис. 4.12 справа аналогичные данные для магнитной бури 31 марта 2001 г. показывают, что изменения интенсивности амплитуды вариаций ПЭС A(t), числа фазовых сбоев и вариации производной Dst хорошо коррелируют между собой. Как видно из рис. 4.11, 4.12, д 4.12, г, 4.12, е зависимости P(t) хорошо коррелируют с зависимостью A(t). На рис. 4.12 слева и на рис. 4.13 показаны те же зависимости, что и на рис. 4.11 и рис. 4.12 справа, но для восточного сектора (0-180 Е). Данные горизонтальной компоненты магнитного поля для восточного сектора получены на магнитной обсерватории Иркутск (географические координаты 52.20 N; 104.30 Е). Корреляция P(t) с рядами A(t) для восточного сектора не столь четко выражена, как для западного сектора. Зависимость P(t) для магнитной бури 6-7 апреля 2000 г. (рис. 4.13, в) имеет два выраженных максимума 8:42 UT 6
Похожие диссертации на Сбои при измерениях фазового и группового запаздывания сигналов GPS во время геомагнитных возмущений
