Содержание к диссертации
Список таблиц л
Список рисунков
Список обозначений и сокращений
Введение
^
Функционирование навигационной системы GPS и ме
тоды обработки данных приемников. 28
Общие сведения о навигационной системе GPS 28
Глобальная сеть двухчастотных GPS-приемников. Получение по сети INTERNET данных в форматах RINEX
и IONEX ..# Г 31
1.3 Особенности обработки данных приемников GPS. ... 35
Определение полного электронного содержания в ионосфере по данным двухчастотных приемников GPS 35
Определение углов места и азимутов ИСЗ по эфи-меридной информации, передаваемой с ИСЗ. . . 40
2 Методы системного анализа и проектирования про
граммного обеспечения. 47
2.1 Методы анализа и построения информационных систем. 47
Классификация информационных систем. .... 47
Способы описания информационных технологий (информационных процессов). Классификация моделей 49
Характеристики и показатели качества информационных процессов 51
Методы анализа и построения информационных систем. 52
Логические схемы информационных процессов. . 53
Графы состояний при оценке временных характеристик информационных процессов 53
/
2.3 Структурный анализ и проектирование информацион
ных систем -л^^^Ь -^^^ 54
Стадии разработки информационных систем. . . 56
Оценка целесообразности создания АС. Показатели качества функционирования информационных систем. Эффект создания информационной системы ^^ 58
Анализ информационных потоков. ^^^. 59
Процедуры обоснования решений при проектировании информационных систем. А ....... 60
Структурный анализ и проектирование программного обеспечения информационных систем. . . 60
2.4 Базы данных. ^. ^^^Л 63
Обзор технологий систем баз данных 63
Модели данных ш ^
Архитектуры баз данных 65
Распределенные базы данных 69
Тиражирование данных 70
2.5 Проектирование баз данных на основе методов струк
турного анализа. 1^^. . . . 71
Концептуальное проектирование баз данных. . . 73
Логическое проектирование реляционных баз данных на основе принципов нормализации 74
Структура и функционирование глобального GPS-детектора
GLOBDET. а 76
Общие сведения 76
Описание предметной области, требования к программному комплексу 77
Описание программного комплекса 81
3.3.^к Концепция программного комплекса, ключевые
1 технические решения, состав подсистем и функ
циональная модель комплекса 81
Реализация программного комплекса 86
Информационная модель программного комплекса 86
Подсистема СУБД 88
Подсистема.первичной обработки данных .... 90
Получение списка станций с сервера SOPAC. . . 90
/
Выбор станций с нужными координатами из списка ^0^^^^^^. 93
Получение файлов данных по выбранным станциям с сервера SOPAC ^L. .Ж .... 93
Разархивация полученных файлов данных и создание директорий с входными файлами данных. 94
Создание DAT-файлов и ТБС-файлов 95
3.4 Вторичная обработка данных . . . w^^- 97
Просмотр данных и построение графиков 101
Исследование параметров КМ ПИВ 101
Метод построения глобального поля скоростей перемещения изолиний полного электронного содержания по данным глобальной сети GPS. ... 103
Когерентное накопление во времени 106
Некогерентное накопление спектров 107
Анализ сбоев, возникающих в работе GPS приемников во время сильных геомагнитных возмущений. . . Ш. М^Ш&- 108
Оценка основных параметров глобального GPS-детектора при детектировании ионосферных возмущений различных классов. ^Г.^^^^. 109
Сравнение вычисляемых значений углов прихода луча на ИСЗ и ПЭС с аналогичными результатами, получаемыми другими программными средствами 111
Исследование сбоев системы местоопределения GPS, возникающих во время геомагнитных возмущений. 115
Примеры применения технологии GLOBDET при детектировании ионосферных возмущений естественного и техногенного происхождения. 127
5.1 Определение параметров перемещающихся ионосферных
возмущений с помощью GPS-решеток 127
.1.1 Определение параметров крупномасштабных перемещающихся ионосферных возмущений (КМ ПИВ) аврорального происхождения с помощью
GPS-решеток 127
5.1.2 Построение глобального поля скоростей переме
щения ПИВ 136
^
Детектирование ионосферного отклика солнечных вспышек по данным глобальной сети GPS 142
Детектирование ударно-акустических волн, генерируемых при запуске ракет и землетрясениях, по данным GPS-решеток ^^^rf^. 150
Ионосферный отклик полного солнечного затмения 11 августа 1999 года по данным европейской сети GPS. . . 161
Спектральные характеристики среднемасштабных перемещающихся ионосферных возмущений по данным глобальной сети GPS. чЩ^ 168
Заключение . .^^^^^ 173
Благодарности . . . ^^. 174
Литература ^^^^^ 175
Список таблиц
=?
о*
4.1 Информация об экспериментах по изучению статистики
сбоев в cHCTeMdCPS во время сильных геомагнитных
возмущений. ^^^^^^ 116
GPS-станции и их расположение 157
Общие сведения о землетрясениях в Турции 159
Информация об экспериментах по определению глобальных спектров 169
:?
Список рисунков
Глобальная сеть GPS ^^^А ^2
Исследование ионосферы с помощью глобальной навигационной системы GPS . . ^. Ж^^^ 36
Геометрия системы Земля - ИСЗ 41
Описание информационной технологии 49
Классификация моделей информационных процессов. . 50
Структура функциональной и обеспечивающей частей информационной системы 55
Архитектура "клиент-сервер": FS-модель 67
Архитектура "клиент-сервер": RDA-модель. ...... 68
Архитектура "клиент-сервер": BDS-модель 69
Архитектура "клиент-сервер": AS-модель 69
Концепция глобального GPS-детектора 84
Функциональная модель программного комплекса GLOB-
DET^^^S^ 85
3.3 Информационная модель программного комплекса GLOB-
DET . . Г J 87
Функциональная модель подсистемы СУБД комплекса GLOBDET 89
Программный комплекс GLOBDET; первичная обработка данных GPS в формате RINEX 91
3.6 Таблица состояний, алгоритма первичной обработки дан-
92Программный комплекс GLOBDET; вторичная обработка данных GPS с использованием DAT-файлов - панель
а) и с использованием ТЕС-файлов - панель б) 98
Таблица состояний алгоритма вторичной обработки с
использованием DAT-файлов. 99/о
аботки с
Таблица состояний алгоритма вторичной обрабс использованием ТЕС-файлов ^^^: ЮО
Геометрия определения вектора скорости перемещения возмущения ПЭС для выбранной элементарной ячейки карты ПЭС, построенной по технологии GIM 104
Зависимость СКО разностей значений углов прихода, вычисленных программами CONVTEC и TEQC (Unavco Inc.), от номера года 113
Зависимость СКО разностей значений углов прихода, вычисленных программами CONVTEC и TEQC (Unavco Inc.), от широты. ;kJ^^^^L 114
ігнитного ]
Вариации Н-компоненты геомагнитного поля на станции Иркутск в течение больших магнитных бурь 6 апреля и 15 июля 2000 г ^|Л 117
Зависимость относительной средней плотности сбоев P(t) от местного времени (LT) для магнитоспокойных дней 29 июля 1999г. и 9 января 2000 г 119
Зависимость относительной средней плотности сбоев P(t) от местного времени (LT) для магнитных бурь 6 апреля и 15 июля 2000 г 121
Зависимость относительной средней плотности сбоев P(t) от местного времени (LT) для разных типов приемников для магнитных бурь 6 апреля и 15 июля 2000
г. . . . ^ . /1 123
4.5 Зависимость относительной средней плотности сбоев
P(t) от местного времени (LT) для разных широтных
диапазонов расположения станций для магнитной буриб апреля 2000 г 125
5.1 Геомагнитные индексы и вариации ПЭС во время гео
магнитной бури 25 сентября 1998 г 129Карта эксперимента 25 сентября 1998 года 130
Значение ПЭС для решетки LEEP 133
Значения ПЭС для решеток LNMO и USNO 134
Карты вертикальных значений ПЭС для магнитоспо-
койного дня 20.09.1998 г 138
Карты регионального поля скоростей перемещения изо
линий ПЭС файлов в формате IONEX для магнитоспо-
койного дня 20.09.1998 г 139Направления перемещения КМ ПИВ во время большой
магнитной бури 6 апреля 2000 года^ -^^^
Геометрия глобальной сети GPS при исследовании сол
нечной вспышки 23 сентября 1998 г..-^^Временные зависимости ПЭС I(t) во время солнечной
вспышки на дневной стороне 29 июля 1999.
Временные зависимости ПЭС I(t) на дневной и ночной
сторонах 29 июля 1999 el . . ^^^1^
Геометрия экспериментов во время запусков РН "Протон" 20 ноября 1998 г., 5 июля 1999 г. и 27 октября 1999
г. с космодрома "Байконур"
Временные зависимости "наклонного" ПЭС I(t) в трех пунктах GPS-решетки в районе запусков РН "Протон"
5 июля 1999 г. и 27 октября 1999 г
Геометрия экспериментов во время землетрясений 17
августа и 12 ноября 1999 г. в Турции
Временные зависимости "наклонного" ПЭС I(t) в районе эпицентров землетрясениий 17 августа и 12 ноября 1999Ж
5.7
5.8
5.9
5.10
5.11
5.12
5.13 5.14
5.15 5.16 5.17
160 Схематическая карта движения лунной тени во время
полного солнечного затмения 11 августа 1999 г 164
Результирующие данные, полученные во время полного
солнечного затмения 11 августа 1999 г. . 166
Спектральные характеристики среднемасштабных ПИВ
для магнитовозмущенного дня 15 июля 2000 г 171Список обозначений и сокращений
СРНС
ГЛОНАСС
АСОУП
МПС ЦУПВ ГВЦ НИК
БД САУТ
КЛУБ АСНЇЇ
пэс>
GLOBDET
GLOI
ционная
Спутниковая радионавигац:
система
Global Positioning System
(Глобальная Система
Местоопределения)
Глобальная навигационная спутниковая система
Автоматизированная система
оперативного управления
перевозками
Министерство путей сообщения
Центр управления перевозками лавный вычислительный центр авигационно-инф ормационный
комплекс
База данных
Система автоматического управления
ранспортом Автоматизированная система управления
Комплексное локомотивное устройство безопасности Автоматизированная система научных исследований Полное электронное содержание Global detector, название технологии и программного комплекса ионосферное возмущение
пив км пив
СМ ПИВ
ИСЗ LOS ПЭС GIM ТЕС
TECU СРНС
перемещающееся ионосферное
возмущение
крупномасштабное перемещающееся
возмущение
акустико-гравитационная волна
Среднемасштабные ПИВ
ударно-акустическая волна
ультрафиолетовый
внезапное ионосферное возмущение
sudden ionospheric disturbances
(внезапное ионосферное возмущение)
искусственный спутник Земли line of sight - луч зрения . полное электронное содержание Global ionospheic maps total electron content, полное электронное содержание единица измерения ПЭС; 1 TECU =
1016^-V
пиковая радионавигационная ема Global Ionospheric Map IONosphere Map EXchange Format Электронная концентрация Информационная система Система управления базой данных Автоматизированная информационная система Автоматизированная система научных исследований Обобщенные структурные информационно-временные схемы Автоматизированная система Техническое задание Жизненный цикл программного обеспечения
SFD
SITEC
CASE SADT
IDEF ERD
AS PL
BL AL
Computer-Aided Software Engineering Structured Analysis and Design Techique, технология структурного анализа и проектирования Integrated DEFinition Entity-Relation Diagram, диаграмма
am, д в
гат«
сущность-связь State-Transition Diagram, диаграмма состояний и переходов File Server Remote Data Access Database Server Application Server Presentation Layer, уровень представления
Business Layer, прикладной уровень Access Layer, компонент доступа к информационным ресурсам Transport Layer, транспортный уровень
Structured Query Language, язык структурированных запросов. pplication Program Interface, Интерфейс прикладного программирования sudden frequency deviations (внезапные изменения частоты)
sudden increase of total electron content (внезапное увеличение полного электронного содержания)
Введение к работе
В настоящее время наблюдается бурное освоение и применение аме
риканской спутниковой навигационной системы (СРНС) GPS [86] и
российской СРНС ГЛОНАСС [17] в различных отраслях народного
хозяйства и, в частности, в системах местоопределения на железно
дорожном транспорте [42]. ^Например, в США данные работы только в 2000 году были профинансированы Конгрессом США в сумме 5 млн. долл. по программе федеральных высокоскоростных магистралей [107]. Инициатива по проведению данных работ исходит от таких организаций, как Федеральная администрация высокоскоростного транспорта, Федеральная железнодорожная администрация и Агенство по точному управлению поездами [79].
Создание комплексной автоматизированной системы управления железнодорожным транспортом с приоритетной разработкой системы оперативного управления грузовыми перевозками (в дальнейшем АСО-УП) определены в числе основных направлений работ по информатизации железнодорожного транспорта МПС России [28]. По мнению российских авторов работы [15], аппаратура СРНС, позволяющая определять координаты и скорость движения локомотива (состава) , может наряду с соответствующими средствами связи стать основой построения центров управления перевозками (ЦУПВ), работающими в реальном времени. ЦУПВ и диспетчерский центр призваны контролировать дислокацию составов на трассе, автоматически строить график^сполненного движения, управлять скоростью движения, передавая команды на локомотив.
Экспериментальные работы по данному направлению проводились а Красноярской железной дороге с 1995 по 1997 гг., а также по маршрутам Красноярск-Хабаровск и Красноярск-Москва. В апреле 1998
проводился эксперимент по сопровождению контейнерного поезда, следовавшего по маршруту Находка-Брест. Информация о движении поезда передавалась через поездную дуплексную радиостанцию РВ-1
в центр управления Красноярской ж/д и через систему спутниковой связи "Трасса" - в ГВЦ МПС.
На Красноярской ж/д разворачивается опытный полигон по отработке спутниковых технологий в управлении движением поездов. Несколько локомотивов оборудуются приемниками GPS/ГЛОНАСС МРК-19Л [38], которые предназначены специально для оснащения локомотивов и других подвижных единиц железнодорожного транспорта в составе навигационно-информационных комплексов (НИК).
При помощи НИК должны решаться задачи: повышения безопасности движения; обеспечения оптимальных режимов ведения поезда; обеспечения навигационного сопровождения локомотива; контроля местоположения и скорости поезда на электронной карте диспетчерского центра железной дороги; автоматического ведения "скорос-тимерной ленты" и графика исполненного движения.
В состав НИК должны входить база данных ж/д и маршрутное задание машиниста. БД содержит информацию о всех особенностях пути, например, сведения о координатах границ блок-участков, данные о вертикальном (уклон) и горизонтальном (кривые) профиле пути, ограничения скорости на перегонах, координаты, названия и схемы станций, расстояния до мест ограничений и повышенного внимания.
В течение 1997 г. на полигоне Красноярской железной дороги проводились эксперименты по комплексированию аппаратуры системы автоматического управления транспортом (САУТ), являющейся на сегодня одной из основных в системе безопасности [43], с интегрированным приемником GPS/ҐЛОНАСС МРК-12. Испытания проводились на локомотиве серии ВЛ80Р с целью обоснования замены традиционных напольных устройств спутниковым приемником с БД. Успешно^Чіроведение экспериментов прродемонстрировало возможность работы САУТ без напольных устройств в интеграции со спутниковой навигационной аппаратурой.
После проведенных испытаний на Красноярской железной дороге в марте 1995 г., показавших широкие перспективы использования систем местоопределения с применением СРНС на железной дороге, была спроектирована и начала внедряться автоматизированная система управления движением поездов (АСУ ДП "Магистраль") с применением средств космической навигации и связи [31].
В настоящий момент на Восточно-Сибирской железной дороге эксплуатируется система КЛУБ (Комплексное Локомотивное Устройст-
/
во Безопасности) [26], разработанная ОАО "Ижевский радиозавод".
Система КЛУБ предназначена для обеспечения безопасности движения и его регулирования с использованием возможностей навигационных систем ГЛОНАСС - GPS. Система КЛУБ состоит из набора взаимодействующих между собой модулей, одни из которых являются обязательными, а другие - дополнительными. Модули объединяются в локальную сеть и устанавливаются непосредственно на локомотиве, включая приемник спутниковых сигналов ГЛОНАСС - GPS.
С помощью спутниковых сигналов непрерывно определяются текущая координата (пройденный путь) и скорость движения поезда. Эта информация сопоставляется с электронной картой маршрута движения, на которой отмечена вся необходимая информация об участке, напольных устройствах и других технических средствах, а также об ограничении скорости движения^
Еще одним весьма перспективным применением оборудования с применением СРНС является осуществление контроля за состоянием железнодорожных путей, которое позволяет осуществлять специальное оборудование разрабатываемое совместными усилиями Красноярского государственного технического университета и Красноярской железной дороги [35]. На специальные локомотивы и электровозы при этом устанавливается оборудование, позволяющее снимать спектр сигналов от шума колес, который меняется в случае неисправности железнодорожного полотна. С помощью СРНС можно будет получать точные координаты неисправного пути, что предотвратит серьёзные происшествия. По словам ректора КрГТУ С.Подлесного, установка указанного оборудования приводит к несущественному увеличению стоимости провоза грузов и одновременно к существенному повышению безопасности движения.
Наконец, еще одним перспективным направлением, особенно в условиях современного рынка, является возможность иметь оперативную информацию о передвижениях грузов в постоянно меняющихся условиях. На западе очень активно применяется система отслеживания грузов по всему пути в любое время суток. Такая информация позволяет компаниям, пользующимся услугами железнодорожного транспорта, знать местоположение груза в любое время суток, что сводит юзможность финансовых потерь к нулю. Более того, данная система дает некоторые конкурентные преимущества железной дороге перед другими видами транспорта. Совместными усилиями специалистов
КрГТУ с французскими коллегами разработана подобная система отслеживания "АРГОС" [35].
Такие широкие перспективы использования систем местоопреде-ления с использованием СРНС приводят к необходимости детального изучения параметров самих систем спутниковой навигации, в том числе надежности их функционирования и помехозащищенности, особенно при эксплуатации их в экстремальных условиях (например, во время сильных геомагнитных возмущений).
Проверка помехозащищенности системы GPS приводится, например, в работе [23]. В данной работе произведена попытка глушения сигналов, принимаемых приемником GPS при помощи помехи, близкой по параметрам к оптимальной. Полученные в работе теоретические и экспериментальные результаты говорят о возможности эффективного глушения сигналов GPS относительно простыми средствами (в качестве сигнала для глушения используется немодулированная несущая, слегка отстроенная от частоты несущей сигнала, используемого в системе GPS).
Резуль массе
Все вышеперечисленное говорит о том, что применение систем мес-тоопределения с использованием СРНС в отраслях, критичных к обеспечению безопасности, в частности, на железнодорожном транспорте, требует серьезного и кропотливого всестороннего изучения, анализа и прогнозирования рисков, связанных с применением данных систем, анализа их отказоустойчивости. Данные исследования необходимы для уменьшения издержек на проектирование и внедрение систем с использованием СРНС, а главное - для предотвращения возможных последствий и катастроф. Не все вышеперечисленные области применения систем местоопределения с использованием СРНС одинаково критичны к параметрам точности местоопределения и отказоустойчивости аппаратуры местоопределения; однако, в целом указанные исследования необходимы для принятия решения о применимости проектируемых систем с использованием СРНС в каждой из этих областей, степени их резервирования другими системами и т.д. 'езультатами указанных исследований могут являться:
Ьвый сбор статистики по отказам и сбоям измерений приемников СРНС, возникающим в результате воздействий различных источников, как природного, так и техногенного характера, (зависимости от различных параметров: времени суток, марки приемников, наличия различных возмущений и помех (известно,
что сама железная дорога является сильным источником помех) и т.д.;
анализ характера сбоев, при воздействии различных источников на основе набранной статистики;
іерестают быт
расчет и экспериментальное получение пороговых значении количества возникающих сбоев систем с использованием СРНС, при которых данные местоопределения перестают быть достоверными:
алгоритмы анализа количества сбоев, возникающих в системах с СРНС, включая алгоритмы для принятия решений о переключении на использование дублирующих систем и уведомления персонала и превышении пороговых значений сбоев, и разработка систем принятия решений (или подсистем принятия решений для существующих систем автоматизированного управлений перевозками), использующих указанные алгоритмы;
разработка алгоритмов повышения точности местоопределения в системах с использованием одночастотных приемников СРНС заснет внесения ионосферных поправок, полученных по данным существующей сети двухчастотных приемников сети GPS;
рекомендации к изготовителям аппаратуры приемников СРНС по улучшению определенных параметров и алгоритмов работы изготовляемых приемников.
При проведении подобных исследований требуются большие аппаратурные и программные затраты, направленные на создание необходимых полигонов для исследований, исследования 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 сек централизованно поставляются на сервер SOPAC [121] в стандартном формате RINEX [80], после чего они доступны ля анализа и использования по сети Internet. Данная сеть непрерывно расширяется и к январю 2002 г. насчитывает более 1000 зарегистрированных приемников GPS, а сервер SOPAC содержит данные
круглосуточных измерений приемников более, чем за пять лет. Полученная таким образом база данных представляет собой уникальный материал для проведения исследований. В ближайшее время эта сеть будет существенно расширена за счет интеграции с навигационной системой ГЛОНАСС.
Такая перспектива делает заманчивым использование нескольких или всех станций сети GPS для начала проведения вышеперечисленных исследовательских работ, предварительного набора статистики, а также проведения анализа и моделирования с целью изучения функционирования СРНС GPS-ГЛОНАСС, разработки необходимых алгоритмов, а также предварительного набора статистики. Все это позволит оптимизировать затраты на создание исследовательских полигонов и проведение вышеуказанных исследований, а также получить предварительные результаты практически без затрат на приобретение аппаратуры. По полученным результатам можно будет судить о целесообразности и направлениях дальнейших исследований.
При проведении подобных исследований одной из основных проблем становится анализ огромного количества данных. Каждый GPS приемник выдает в день примерно 3 МБ данных, а для проведения исследований обычно требуются суточные данные примерно нескольких десятков (а иногда и сотен) приемников. До получения результатов, как правило, требуется многократное повторение обработки данных с различными входными параметрами. В связи с этим особое значение для повышения эффективности подобных исследований приобретает применение автоматизированных систем научных исследований (АС-НИ) [36], позволяющее получать более точные и полные модели исследуемых объектов и явлений, ускорять ход научных исследований и снижать их трудоемкость, изучать сложные объекты и процессы, исследование которых традиционными методами затруднительно или невозможно.
При формировании технического задания в качестве задач, решаемых программным комплексом, учитывался еще ряд задач, решаемых в Институте Солнечно-земной физики СО РАН. Такое совмещение решаемых задач стало возможным из-за схожести методик проведения обработки данных, обнаруженной в результате предварительного проведенного анализа.
В ИСЗФ СО РАН разрабатываются методы и технология глобального детектирования и мониторинга ионосферных возмущений естественного и техногенного происхождения по данным измерений вари-
аций полного электронного содержания (ПЭС) на глобальной сети приемников навигационных систем GPS - ГЛОНАСС, основанная на концепции глобального детектора GLOBDET [48]. і
Известно, что ионосфера Земли может служить индикатором различного рода воздействий как естественного, так и техногенного происхождения (землетрясения, цунами, грозы, проявления солнечной и геомагнитной активности, взрывы, запуски ракет, подземные ядерные испытания и т. д.). Воздействия вышеперечисленных источников проявляются в виде изменений ПЭС в ионосфере, пространственные, временные и амплитудные масштабы которых зависят непосредственно от параметров инициирующего воздействия.
Научный интерес к этой проблеме обусловлен тем, что такие воздействия можно трактовать как активные эксперименты в атмосфере Земли и использовать их для решения целого ряда задач физики ионосферы, ионосферного распространения радиоволн, физики ударных волн и т.д.
Эти исследования имеют также и важный прикладной аспект, поскольку они позволяют обосновать надежные сигнальные признаки техногенных воздействий (запуски ракет, несанкционированные взрывы и подземные ядерные испытания), что необходимо для построения эффективной глобальной радиофизической системы обнаружения и локализации этих воздействий. Существующие глобальные системы подобного назначения используют различные методы детектирования, в том числе с использованием инфразвуковых и сейсмических сигналов. Однако, в связи с расширением географии, типов и непредсказуемости техногенных воздействий на окружающую среду, до сих пор весьма актуальными остаются задачи повышения чувствительности обнаружения и достоверности определения параметров источников воздействий, в том числе и за счет независимых измерений всего спектра сигналов, генерируемых при воздействии.
Возникающие при упомянутых выше воздействиях ионосферные возмущения (ИВ) характеризуются весьма широким спектром пространственно-временных масштабов. Приведем примеры только нескольких классов ИВ, которым в диссертации уделено основное внимание.
Авроральные процессы, сопровождающие мощные магнитные бури, генерируют крупномасштабные перемещающиеся ионосферные озмущения (КМ ПИВ), являющиеся ионосферным откликом внутренних атмосферных Акустико-Гравитационных Волн (АГВ), с временным периодом порядка 1 часа и длиной волны свыше 1000 км. Эти
возмущения перемещаются в основном в экваториальном направлении со скоростью порядка 300-500 м/с.
Среднемасштабные ПИВ (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.
Ударные волны, возникающие при запуске мощных ракет, генерируют широкий спектр АГВ с различными периодами и длинами волн. Особый интерес проявляется к т.н. "быстрой моде" ионосферного отклика ударной волны, распространяющейся с высокой скоростью, что обеспечивает минимальное время для ее детектирования. В литературе для обозначения этой моды используют термины, отличающиеся различной физической интерпретацией, в том числе термин ударно-акустическая волна (УАВ). Есть некоторые сведения, что аналогичные процессы наблюдаются и при землетрясениях. УАВ характеризуются временным периодом порядка 30-300 сек и скоростью распространения около 1000 м/с.
Увеличение интенсивности рентгеновского и ультрафиолетового (УФ) излучения, наблюдаемое во время хромосферных вспышек на Солнце, немедленно вызывает возрастание электронной концентрации в ионосфере. Эти изменения концентрации различны для разных высот и носят общее название внезапных ионосферных возмущений (ВИВ) или SID (sudden ionospheric disturbances). Эти возмущения чаще всего носят импульсный характер длительностью порядка 1 мин и наблюдаются одновременно на всей освещенной стороне.
Несмотря на то, что перечисленные явления изучаются уже в течении многих десятилетий с применением различных экспериментальных средств и методов моделирования, в настоящее время еще нет полного понимания физических механизмов, без знания которых невозможно и создание соответствующих прикладных систем.
Отсутствие полных и достоверных данных о параметрах ИВ обусловлено в основном недостатками существующих экспериментальных методов и средств детектирования. Из перечисленных выше прост-
ранственно-временных характеристик ИВ следует, что для эффективного отображения явлений средства детектирования должны обладать достаточным высоким временным (не хуже 10-100 сек) и пространственным (не хуже 10-100 км) разрешением.
Не менее важным является необходимость одновременных и однотипных измерений в широком широтно-долготном диапазоне, без чего до сих пор не удается оценить зависимость основных характеристик ИВ от долготы, местного времени, широты и других факторов глобальности. В настоящее время наблюдается существенный прогресс в развитии спутниковых методов оптического мониторинга процессов в верхней атмосфере, позволяющих визуализировать многие интересные явления (особенно в авроральной области). Однако до сих пор аналогичная технология глобального мониторинга ионосферных возмущений еще не создана.
Наконец, детектирование наиболее важных, интересных и чаще
всего непредсказуемых воздействий (особенно техногенных) невоз
можно без непрерывной работы системы глобального мониторинга
ИВ. I*Очевидно, что соответствующее пространственно-временное разрешение, непрерывность и глобальность мониторинга ИВ не могут обеспечить существующие весьма редкие сети ионосферных детекторов, таких как ионозонды, радиотрассы наклонного зондирования, пункты измерения фарадеевского вращения плоскости поляризации сигналов геостационарных ИСЗ и радары некогерентного рассеяния.
Новую эру в дистанционной диагностике ионосферы открывает развитие глобальной навигационной системы GPS [86] и создание на ее основе широко разветвленных сетей станций GPS, насчитывающих к началу 2002 г. не менее 1000 пунктов, данные которых с временным разрешением 30 сек поставляются в Internet. В ближайшее время эта сеть будет существенно расширена за счет интеграции с навигационной системой ГЛОНАСС [17].
Методика вычисления полного электронного содержания в ионосфере по данным фазовых измерений GPS-приемников широко известна и приведена во многих работах (см., например, [84]). В каждый момент времени каждый приемник GPS наблюдает не менее 5-8 ИСЗ GPS (10-15 ИСЗ с использованием совмещенных приемников GPS-ГЛОНАСС). Таким образом, недалеко то время, когда ионосфе-а Земли будет просвечиваться одновременно десятками тысяч лучей
"приемник-ИСЗ" (луч, проходящий по пути "приемник-ИСЗ" также называют лучом зрения или LOS - line of sight). ^
Такая перспектива делает заманчивым использование нескольких или всех станций сети GPS для дистанционного изучения ионосферы и ИВ, вызываемых различными источниками.
В последнее время рядом авторов [100, 113, 118] создана новая технология построения глобальных карт абсолютного "вертикального" значения ПЭС (в иностранной литературе используется также термин ТЕС - total electron content; ПЭС измеряется в единицах TECU (TEC unit), 1 TECU = 1016ж~2) по данным международной сети 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 для изучения крупномасштабных ионосферных процессов в спокойных и возмущенных условиях в глобальном масштабе. С использованием этой технологии были получены новые данные о глобальном развитии крупномасштабных ионосферных возмущений во время больших ионосферных бурь.
Однако вследствие низкого временного разрешения (данные в Internet представлены с шагом 2 часа) технология GIM не годится для детектирования перечисленных выше ИВ.
Независимо от этого направления ведется интенсивная разработка методов GPS-детектирования ионосферного отклика мощных землетрясений [67], запусков ракет [68], наземных промышленных взрывов
Глобальный детектор , построенный по методике [48], отличается от ранее известных средств радиозондирования ионосферы непрерывностью наблюдений, высокой чувствительностью и пространственно-временным разрешением, а также технологичностью обработки данных. В отличие от традиционных средств ионосферных наблюдений, высотный предел которых не превышает 500 км (ионозон-ды, KB доплеровские измерения), или 1000-2000 км (радары некогерентного рассеяния и станции регистрации поворота плоскости поляризации УКВ сигнала геостационарных ИСЗ), впервые появилась возможность глобального детектирования возмущений плазмосферы Земли в диапазоне высот вплоть до 20000 км. Кроме того, в отличие т существующих классических средств ионосферных исследований, приемники GPS серийно выпускаются промышленностью, что обеспечивает их широкую доступность и низкую стоимость.
іестно.
Специализированные комплексы для использования GPS при решении различных задач уже активно разрабатываются. Например, в [64] описывается программный комплекс для изучения и непрерывного высокоточного мониторинга деформаций различных объектов. Известны также программные комплексы GAMIT, GIPSY для проведения исследования в области геодезии [120], а также программа TEQC, представляющая собой набор инструментов для работы с данными GPS-приемников [123]. Однако, специализированного комплекса для обработки данных фазовых измерений с целью проведения ионосферных измерений и/или анализа сбоев измерений, возникающих в сети GPS, в литературе пока неизвестно/
Цель работы
Основной целью диссертационной работы являлась разработка автоматизированного программного комплекса, реализующего концепцию глобального детектора GLOBDET [48] и предназначенного для проведения исследований и набора статистики при прогнозировании надежности и помехозащищенности систем местоопределения с использованием СРНС GPS-ГЛОНАСС, а также для проведения фундаментальных исследований физики ионосферы.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач, в который входили:
1. Системный анализ навигационной системы GPS (предметной области) на основе концепции глобального GPS-детектора ионосферных возмущений, выделение объектов, процессов и связей, выяснение форм представления данных, а также выполняемых функций, построение модели системы.
2. Разработка концепции программного комплекса, реализующего требуемую функциональность, выбор по возможности наилучшего варианта построения информационной системы, формулировка технического задания.
Разработка алгоритмов и модулей программного комплекса GLOBDET, предназначенного для автоматизированной обработки дан-ых международной сети двухчастотных приемников навигационной системы GPS.
4. Оценка основных характеристик программного комплекса, проведение тестирования, сравнение отдельных получаемых при помощи программного комплекса GLOBDET результатов с аналогичными результатами, получаемыми другими программными средствами.
5. Проведение с помощью созданного программного комплекса анализа эффективности системы местоопределения GPS на примере статистики фатальных фазовых сбоев, возникающих при работе системы GPS во время сильных геомагнитных возмущений.
6. Исследование особенностей применения технологии GLOBDET при детектировании ионосферных возмущений, возникающих при солнечных вспышках, во время магнитных бурь, при запусках ракет и землетрясениях.
Научная новизна
проведенного исследования состоит в следующем:
Впервые произведен системный анализ навигационной системы GPS (предметной области) на основе концепции глобального GPS-детектора ионосферных возмущений.
Впервые создан автоматизированный программный комплекс GLOBDET, реализующий принципы технологии глобального GPS-детектора ионосферных возмущений различных классов, основанной на измерении полного электронного содержания с помощью глобальной сети многоканальных двухчастотных приемников навигационной системы GPS.
Впервые продемонстрирована возможность изучения эффективности системы местоопределения GPS на примере глобальной статистики фатальных фазовых сбоев, возникающих при работе системы GPS во время сильных геомагнитных возмущений.
. Впервые продемонстрирована возможность использования технологии GLOBDET при изучении ионосферных возмущений различных классов, возникающих при солнечных вспышках, во время магнитных бурь, при запусках ракет и землетрясениях.
Достоверность результатов
ванных ранее другими авторами.
Достоверность результатов, описанных в диссертации, обосновывается на физическом обосновании предложенных методов, их проверке численным моделированием и в экспериментах, а также представительной статистикой наблюдений. Полученные в экспериментах физические характеристики находятся в качественном и количественном согласии с результатами независимых исследований, опублико-
Практическая ценность работы
Данные, полученные в результате исследований с применением данного комплекса, могут быть использованы:
для оценки отказоустойчивости применяемой в системах место-определения аппаратуры GPS в зависимости от различных факторов: марки приемников, наличия ионосферных возмущений и т.д.;
для принятия решений о применении GPS в различных проектируемых и существующих системах на железнодорожном транспорте;
имост: зния и
для определения максимальных пороговых значении количества сбоев в системе GPS, при которых данные местоопределения еще можно считать достоверными;
для определения и прогнозирования целесообразности применения систем местоопределения с применением GPS в определенные дни в зависимости от степени возмущенности ионосферы (системы
управления и принятия решений)!
мы и ний к
ния и
Алгоритмы, разработанные для данного комплекса, могут быть использованы для подсистем управления резервированием в системах местоопределения ж/д транспорта (переход на дублирующие системы и информирование персонала при превышении пороговых значений количества сбоев).
ограммный комплекс может быть использован для детектирова-
я и мониторинга ионосферных возмущений различных классов.
/о
[МИ и полч
Личный вклад автора
Основные результаты работы являются оригинальными и получены лично автором или при его непосредственном участии: J
1. разработка метода и принципов построения глобального GPS - детектора ионосферных возмущений естественного и техногенного происхождения;
проведение анализа предметной области, построение модели комплекса, определение выполняемых функций, разработка форм представления входных, промежуточных и выходных данных, определение технических требований к программному комплексу и разработка технических решений для их реализации, разработка структуры комплекса, реализация большинства программных модулей, написание документации по эксплуатации комплекса;
оценка разрешающей способности метода GLOBDET по времени и пространственным координатам;
сравнение результатов первичной обработки комплекса GLOBDET с аналогичными результатами, получаемыми другими программными средствами;
использование программного комплекса GLOBDET в исследованиях эффективности системы местоопределения GPS в условиях геомагнитных возмущений;
выборочная экспериментальная проверка эффективности программного комплекса GLOBDET в исследованиях ионосферных эффектов магнитных бурь, солнечных вспышек, запусков ракет и землетрясений.
Апробация работы
Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на XXVIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Toronto, Canada, 1999; Байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике БШФФ-99, Иркутск, 1999; International Symposium on GPS, 1999, Tsukuba, Japan; IV Международной научно-технической конференции «Радиолокация, авигация и связь», Воронеж, 2000; Scientific assembly of COSPAR,
2000, Warshaw, Poland; XX Всероссийской конференции по распространению радиоволн, Нижний Новгород, 2002; а также на семинарах ИСЗФ СО РАН, ИрГУПС.
Имеются акты о внедрении данного комплекса в институте ионосферы МОН РК Казахстан, Алма-Ата; в Иркутском государственном университете путей сообщения ИрГУПС (ИрИИТ), Иркутск; в ИВА-ИИ МО, Иркутск; ИКФИА СО РАН, Якутск.
&
9.
Похожие диссертации на Разработка автоматизированного программного комплекса управления распределенными информационными потоками глобальной GPS сети и его применение в анализе эффективности системы GPS в условиях геомагнитных возмущений
