научная статья по теме ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ГЛОНАСС ДЛЯ ИОНОСФЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Химия

Текст научной статьи на тему «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ГЛОНАСС ДЛЯ ИОНОСФЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА,, 2015, том 34, № 10, с. 25-32

^ ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА ^^^^^^^^^^^^

АТМОСФЕРНЫХ ЯВЛЕНИЙ

УДК 535.71

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ГЛОНАСС ДЛЯ ИОНОСФЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

© 2015 г. И. И. Шагимуратов1*, Ю. В. Черняк1, И. Е. Захаренкова1, Н. Ю. Тепеницына1, А. В. Радиевский1, 2, И. И. Ефишов1, 2, Г. А. Якимова1

1Западное отделение Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук, Калининград 2Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Калининград *E-mail: shagimuratov@mail.ru Поступила в редакцию 11.12.2014

В работе представлены результаты по использованию отечественной навигационной системы ГЛОНАСС для измерения абсолютной величины полного электронного содержания (TEC — Total Electron Content) ионосферы. Представлены особенности конфигураций и различий в параметрах систем ГЛОНАСС и GPS; дан анализ того, как они отражаются на определении TEC. Проведен также статистический анализ по сравнению измерений TEC при использовании для наблюдений систем ГЛО-НАСС и GPS, показана высокая степень корреляции измерений для обеих систем. Исследования показали, что использование двух систем расширяет возможности применения их для изучения структуры и динамики ионосферы. Для восстановления суточного поведения TEC ионосферы над станцией наблюдения предложено взять в качестве исходных данных фазовые измерения. Преимуществом последних перед групповыми измерениями является не только их высокая точность, но и меньшее влияние многолучевости. Реализованная методика обработки фазовых наблюдений для системы ГЛОНАСС является элементом разрабатываемой в Западном отделении ИЗМИРАН системы мониторинга ионосферы для Европейской части России.

Ключевые слова: ионосфера, ГЛОНАСС, GPS, TEC.

Б01: 10.7868/80207401X15100118

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия технологии ОР8/ГЛОНАСС находят все больше применение для исследования атмосферы Земли, включая тропосферу, ионосферу и плазмосферу. Широкая и разветвленная сеть наземных станций обеспечивает мониторинг ионосферы в планетарном масштабе. В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч станций ОР8/ГЛОНАСС, размещенных во всех частях земной суши. Станции проводят непрерывные наблюдения с 30-секундным интервалом. Этого временного разрешения вполне достаточно для исследования многих физических процессов и эффектов в атмосфере Земли. Круг ионосферных исследований, для которых используются технологии ОР8/ГЛОНАСС, весьма широк и разнообразен. Они включают в себя исследования структуры и динамики ионосферы для различных геофизических условий [1], в частности эффектов солнечных вспышек [2], солнечных затмений [3, 4], волновых возмущений различной природы в широком диапазоне периодов и длин волн [5, 6].

В последние годы GPS/ГЛОНАСС-наблюде-ния привлекаются для выявления ионосферных предвестников землетрясений [7] и других эффектов, источники которых находятся в нижней атмосфере [8, 9]. В отличие от широко известных ионозондовых измерений, GPS/ГЛОНАСС-диа-гностика обеспечивает мониторинг ионосферы в любых геофизических условиях [1]. Это особенно важно для исследования ионосферы на высоких широтах, где ионозонды во время магнитосфер-ных возмущений не в состоянии обеспечить измерения основных ионосферных параметров.

С появлением сцинтилляционных приемников (scintillation monitor), которые обеспечивают измерения с частотой до 50 Гц, техника GPS/ГЛОНАСС эффективно начала использоваться для исследования параметров трансионосферных сигналов-флуктуаций, сцинтилляций, обусловленных проявлением ионосферных неод-нородностей различных масштабов [10—12]. Нашли применение и новые методы диагностики ионосферы — радиотомография, радиозатменные наблюдения. В радиозатменных экспериментах

приемник располагается не на земле, а на пролетных спутниках с высотой орбиты ~800 км [13], измерения проводятся на трассе спутник—спутник. Реализованы эти эксперименты на основе орбитальной групповой системы Космик^огшо8а1 [14, 15]. Из радиозатменных экспериментов получены новые данные как о нижней, так и о верхней ионосфере, включая плазмосферу [16].

С полным развертыванием отечественной навигационной системы ГЛОНАСС возможности исследования ионосферы Земли существенно расширятся. Система ГЛОНАСС во многом схожа с системой GPS. Однако есть ряд различий. Они касаются как конфигурации спутников, так и параметров орбиты. В частности, важным преимуществом системы ГЛОНАСС являются большие величины наклонения орбит, что обеспечивает эффективную диагностику высокоширотной ионосферы. В работе дан анализ различий в параметрах систем ГЛОНАСС и GPS, которые прямо или косвенно сказываются на определении одного из ключевых ионосферных параметров — полного электронного содержания (TEC — Total Electron Content) ионосферы.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕС ИОНОСФЕРЫ ПО ГЛОНАСС-НАБЛЮДЕНИЯМ

Технология космической навигации основывается на измерениях задержек радиосигналов на трассе приемник—спутник. Для систем ГЛО-НАСС и GPS данные наблюдений поставляются в международно принятом формате Rinex. В этом формате на каждый 30-секундный интервал формируются фазовые и групповые задержки сигналов на двух различных частотах для созвездия спутников, находящихся в зоне радиовидимости приемника. Для чисто навигационных задач двух-частотные измерения позволяют исключить наиболее значимую и динамичную ошибку позиционирования, вызванную влиянием ионосферы. С точки зрения ионосферных исследований двухчастотные измерения позволяют выделить из общей задержки сигналов ту ее часть, которая приходится на ионосферу. Ниже коротко будет описана процедура определения ТЕС по фазовым измерениям системы ГЛОНАСС. Методология обработки групповых измерений представлена в работе [17]. Преимущество фазовых измерений заключается в их более высокой точности по сравнению с групповыми.

Как известно, измеряемые значения фазы известны с точностью до неизвестной начальной фазы. С учетом этого дифференциальная фазовая задержка, выраженная в метрах, может быть представлена в виде

Дф = ф1 - ф2 = -LSTEC + (X1N1 - X2N2) + 5Ф, (1) M

где 8ТЕС — величина ТЕС вдоль луча, соединяющего приемник со спутником, или наклонный ТЕС в единицах электрон/м2; Ф1 и Ф2 — измеряемые значения фазы на частотах /1 и /2; и Х2 — длины волн; N и N — начальные фазы или фазовая неоднозначность для частот /1 и /2; 8Ф — разностная фазовая задержка, возникающая в аппаратуре спутника и приемника;

M =

1

f1 f2

40.3fi2 - f2

— коэффициент, конвертирующий расстояние в единицы ТЕС.

В обобщенном виде уравнение (1) можно записать следующим образом:

ДФ = STEC + M

(2)

где член Аф — суммарная фазовая неоднозначность (далее — фазовая поправка). В системе GPS частоты f1 и f2 фиксированы на f1 = 1.5754 ГГц и f2 = = 1.2276 ГГц, М = 9.52 • 1016 м-3. Для системы ГЛОНАСС частоты f1 и f2 свои для каждого спутника, и они формируются по определенному правилу. Таким образом, для системы ГЛОНАСС коэффициент М должен рассчитываться с учетом изменяющихся частот.

Согласно (2), навигационные измерения позволяют определить величину ТЕС вдоль наклонного луча, т.е. значение ТЕС изменяется в зависимости от азимута и угла возвышения. Для геофизических исследований общепринятым ионосферным параметром является содержание электронов в вертикальном столбе площадью 1 м2.

Для пересчета наклонного электронного содержания в вертикальное содержание используется модель ионосферы в виде бесконечно тонкого слоя, расположенного на расстоянии R + h, где R — радиус Земли, h — высота. С учетом этого связь SТЕС и ТЕС описывается простым геометрическим фактором: STEC = TEC/cosz, где г — зенитный угол луча на высоте слоя h. Зенитный угол г можно связать с зенитным углом г* на земле, в точке расположения приемника:

sin z =

R

-sin z

*

R + к

Высота слоя к обычно выбирается ~350—450 км. Точка пересечения луча со сферическим слоем носит название подионосферной точки. С учетом этого замечания уравнение (2) запишется в виде

ДФ = ± TEC + ,

(3)

M cos z

Для пространственной привязки измерений, в том числе и определения зенитного угла, необходимо знать координаты спутника и приемника. Для

30 25 20 15 10 5

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАВИГАЦИОННОИ СИСТЕМЫ ГЛОНАСС Номер спутника

30 25 20 15 10 5

0 3 6 9 12 15 18 21 24 0 3 6 9 12 15 18 21 24

ит, ч

Рис. 1. Карта пролетов спутников ГЛОНАСС (слева) и ОР8 (справа) над станцией Калининград за 24-часовой период.

определения координат спутника используется информация, которая содержится в навигационном сообщении, передаваемом самим спутником.

Навигационные сообщения для спутников ГЛОНАСС и GPS существенно различаются. Для системы GPS в навигационном сообщении передается информация об эфемеридах спутников [18]. Для ГЛОНАСС навигационное сообщение представлено в виде динамических параметров: координат X, Y, Z на определенный момент времени, вектора скорости и вектора ускорения. Различие навигационной информации требует, соответственно, и разных алгоритмов для прогноза положения спутников. Соответствующие алгоритмы и программы входят составной частью расчета ТЕС по ГЛО-НАСС-измерениям.

Принципиальным моментом при использовании навигационных измерений для расчета абсолютной величины ТЕС является вопрос определения фазовой поправки (Аф) к измеряемым параметрам. Именно эта поправка в основном определяет точность расчета ТЕС. Фазовая поправка фиксирована в течение пролета спутников и, соответственно, индивидуальна для каждого из них. Существуют различные подходы к нахождению поправки АФ [19]. Все они основываются на том, что поправка не изменяется в течение пролета, а STEC изменяется в пространстве, времени и, что особенно важно, зависит от длины луча и, соответственно, зенитного угла г. Для решения уравнения используется модель ТЕС. С учетом того, что ионизация в большей части зависит от зенитного угла солнца, который меняется при изменении широты и местного времени в подионосфер-

ной точке. В результате ТЕС можно записать в виде разложения в ряд по временным гармоникам:

TEC = a0 + ^ at cos is +

i=1

(4)

+ ^ b sin is + с1Аф + c2Ays + с3Аф2

i=1

где

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком