ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 4, с. 496-502
УДК 550.338.2 +550.388.1+550.34.06
ОПЕРАТИВНАЯ СЛУЖБА МОНИТОРИНГА ИОНОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ СТАНЦИЙ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ
© 2014 г. И. М. Алешин12, В. В. Алпатов3, А. Е. Васильев3, С. С. Бургучев1, К. И. Холодков1, П. А. Будников3, Д. А. Молодцов3, В. Н. Корягин1, Ф. В. Передерин1
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва 2Геофизический центр РАН, г. Москва 3Институт прикладной геофизики им. Е.К. Федорова Росгидромета, г. Москва
e-mail: ima@ifz.ru Поступила в редакцию 17.09.2013 г.
Приведено описание службы, обеспечивающей оперативное построение трехмерной модели ионосферы по данным наземных приемников сигналов глобальных навигационных систем спутникового позиционирования (ГНСС). Высокое разрешение получаемого образа в значительной степени обусловлено использованием данных ГНСС-станций сети Института прикладной геофизики Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). Сбор, передача и хранение данных осуществляется с использованием специально разработанного формата и его реализации в виде SQL-структур. Построение трехмерной модели ионосферы осуществляется методом высокоорбитальной радиотомографии. Приведено подробное описание работы всех компонент системы от устройства пункта регистрации до процедуры построения трехмерного распределения плотности электронов и публикации в сети Интернет карты полного электронного содержания. Получаемый в автоматическом режиме трехмерный образ ионосферы сравнивается с результатами измерений ионозонда, вычислений методом двумерной низкоорбитальной томографии и усредненной моделью ионосферы.
DOI: 10.7868/S0016794014040105
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в мире функционирует большое количество сервисов, предоставляющих, в частности, данные о текущих значениях полного электронного содержания — TEC (TotalElectron Content). Наиболее крупные центры, предоставляющие такие сервисы — это Центр прогноза космической погоды США - SWPC (The US Space Weather Prediction Center, http://helios.swpc.noaa.goY/), Лаборатория реактивного движения НАСА — JPL (NASA Jet Propulsion Laboratory — http://iono.jpl.nasa.gov/), Австралийское правительственное метеорологическое бюро (The Australian Government Bureau of Meteorology, http://www.ips.gov.au/), европейский центр космической погоды SWASI (Space Weather Application Center — Ionosphere, http://swaciweb.dlr.de/) [Ja-kowski et al., 2011]. Публикуемые модели TEC могут быть глобальными и региональными, иметь различное пространственное разрешение, временную задержку.
В Российской Федерации системы мониторинга такого рода до последнего времени отсутствовали. Практический подход к их созданию применительно к российским условиям обсуждается в работах [Перевалова, 2011; Алпатов и др., 2012], в которых сформулированы требования к сети станций наблюдения, приведены оценки ее
базовых характеристик — разрешение, чувствительность и др. Подробное описание концепции построения сети наземных станций, разворачиваемой Росгидрометом, представлено в статье [Алпатов и др., 2012], где описан ряд возможных технических решений, подробно обсуждается использование метода радиотомографии. Важно также отметить, что к настоящему времени Институтом прикладной геофизики Росгидромета за два первых сезона оснащения введены в эксплуатацию 25 пунктов регистрации ГНСС-сигналов (рис. 1). Большинство этих пунктов расположено в европейской части России, что позволяет существенно увеличить разрешающую способность и точность получаемых ионосферных образов этого региона. Оперативный анализ получаемых данных позволяет выявить неоднородности различного происхождения в ионосфере, что повысит эффективность спутниковой навигации, уточнит расчет трасс распространения коротковолновых сигналов, усилит контроль качества спутниковой радиосвязи.
Теоретической основой создаваемой службы является метод трехмерной высокоорбитальной радиотомографии ионосферы по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем. Подробное описание метода представлено в мо-
20°
30°
40°
50°
60°
65°
60°
55°
50°
45°
40°
Рис. 1. Схема расположения пунктов регистрации на август 2013. Звездочки — пункты сети ИПГ, треугольники — станции международной сети ЮБ. Координаты географические.
нографии [Куницын и др., 2007] и обзорной статье [Куницын и др., 2010].
Ниже приведено общее описание схемы работы созданной службы и всех ее компонент, а так-
же ее приложение к исследованию некоторых временных и пространственных ионосферных процессов.
2. ОБЩЕЕ СХЕМА СЛУЖБЫ
Общая схема созданного в ИПГ сервиса представлена на рис. 2. Задержки сигналов спутников регистрируются приемниками в пунктах наблюдения и по защищенному каналу, в режиме реального времени передают полученные сообщения в центр обработки и хранения данных (ЦОХД). В ЦОХД помимо хранения и архивации данных функционируют службы, обеспечивающие конвертацию данных во входной формат программы высокоорбитальной радиотомографии (ВОРТ) [Куницын и др., 2010]. Помимо собственных данных в расчетах используется аналогичная информация по иностранным приграничным зонам, получаемая с внешних серверов со свободным доступом, работающих в реальном времени (задержка в пределах одного часа). Результат расчета ВОРТ — набор горизонтальных сечений плотности заряда для разных высот — передается системе визуализации, которая осуществляет построение горизонтальных и вертикальных сечений полученного трехмерного образа.
Центральной частью созданного сервиса является оригинальный внутренний формат представления данных, обеспечивающий основу всех
Рис. 2. Общая схема работы сервиса. 5 ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ том 54 № 4 2014
этапов работы сервиса. Необходимость использования такого формата связана, с одной стороны, с достаточно сложной структурой данных, и, с другой стороны, широким набором взаимодействующих между собой информационных процессов получения, передачи, хранения и преобразования данных. Получаемые со спутника сигналы представляют собой набор сообщений, содержащих самую разную информацию (характеристики эмитируемого сигнала, положение спутника, информация о состоянии приемника) и имеющих нетривиальную лексическую структуру. Такая организация данных не может быть сведена к набору простых временных рядов, хотя бы потому, что имеется значительное число сообщений, содержащих массивы переменной длины.
Стандартная процедура регистрации подразумевает запись всех сообщений в файл в бинарном виде в формате производителя. Однако такая форма организации данных плохо приспособлена для осуществления доступа, особенно при необходимости поиска и выборки из архива, так и для передачи данных в режиме реального времени. Бинарный формат тем более не может использоваться для обмена данными с широким набором потребителей. Обычно для этих целей используется стандартные форматы обмена RINEX (Receiver Independent Exchange Format), а также протокол передачи данных в реальном времени NTRIP (Network Transport of RTCM via Internet Protocol). К сожалению, эти форматы также не могут рассматриваться как основа создаваемого сервиса. Являясь, по сути, результатом договоренности производителей приемного оборудования, ни RINEX, ни, тем более, NTRIP не могут содержать все данные, получаемые с конкретного регистратора, поэтому их нельзя использовать для сбора и хранения данных в универсальном и, вместе с тем, полном виде.
Тем самым, мы приходим к необходимости создать универсальное представление данных, которое позволит единым образом реализовать все этапы работы сервиса от процедуры регистрации, включая, собственно, получение данных от приемника, оперативного мониторинга процесса регистрации, первичного анализа, передачи данных в ЦОХД, организации их хранения, отбора и обмена.
3. ХРАНЕНИЕ ДАННЫХ И ПРОГРАММНЫЙ ИНТЕРФЕЙС
Для решения задач, возникших при создании службы, был разработан универсальный внутренний формат представления данных в виде набора реляционных баз данных (БД). Использование системы управления базами данных (СУБД) обеспечивает непосредственное решение многих проблем, таких как организация передачи данных, доступ к данным со стороны потребителей, надежное хранение с возможностью резервного
копирования и архивирования. Все эти возможности имеются, в том числе, и в свободно распространяемой СУБД MySQL, которая и была выбрана для реализации [Бургучев, 2012].
При разработке общей архитектуры системы требовалось учесть сразу несколько факторов, одним из которых является возможность масштабирования БД. Нами была использована архитектура, в которой хранение данных, регистрируемых на разных станциях, осуществляется в отдельных базах. Это существенно упрощает реализацию масштабирования, и дает возможность построения распределенного ЦОХД. Кроме того, использование такой архитектуры дает возможность разграничения доступа к данным отдельных станций на уровне пользователей базы данных. Недостатки, такие как более сложное управление правами пользователей, невозможность осуществления кросс-выборки данных с разных станций в одном SQL-запросе, усложнение структуры из-за необходимости доступа к информации о существующих станциях, представляются незначительными.
Внутренняя организация таблиц баз данных в значительной степени определяется бинарным форматом производителя, так как именно этот формат обеспечивает наиболее полное представление данных. В нашем случае речь идет о корпорации JAVAD GNSSInc., чье приемное оборудование размещено на пунктах регистрации, и, соответственно, бинарном формате JPS (Javad Positioning Systems). JPS-файл представляет собой набор сообщений, сохраненных в порядке получения в бинарном виде. Имеется более сотни различных типов сообщений, каждое из которых необходимо представить в виде, пригодном для размещения в реляционной базе данных. Описание
1
формата JPS содержится в виде документа JAVAD GNSS Receiver External Interface Specification (JAVAD GREIS). Для описания сообщений в нем принят Си-подобный синтаксис, описывающий структуру сообщения. Если структ
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.