ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА,, 2015, том 34, № 10, с. 33-39
^ ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
АТМОСФЕРНЫХ ЯВЛЕНИЙ
УДК 535.71
ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ НАВИГАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ В ПЕРИОД АВРОРАЛЬНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ © 2015 г. C. А. Черноус1, М. В. Швец1, М. В. Филатов1, И. И. Шагимуратов2, Н. В. Калитенков3
1 Полярный геофизический институт Кольского научного центра Российской академии наук, Мурманск-Апатиты 2 Западное отделение Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн Российской академии наук, Калининград 3 Мурманский государственный технический университет *E-mail: chernouss@pgia.ru Поступила в редакцию 11.12.2014
В настоящей работе представлены экспериментальные исследования особенностей сигналов со спутников GPS и ГЛОНАСС в зависимости от пространственного и временного распределений полярных сияний и геомагнитных возмущений, которые являются маркерами текущего состояния полярной ионосферы. Приводятся экспериментальные доказательства ошибок позиционирования, связанных с пространственно-временными вариациями авроральных дуг. Эти ошибки навигационных систем выражаются как в возрастании погрешностей позиционирования, так и в нарушении целостности системы. Показано, что лучистые дуги полярных сияний являются индикаторами нарушений в работе навигационных систем. Делается попытка объяснения этого факта в рамках концепции фазовых флуктуаций навигационного сигнала, вызываемых неоднородностями полного электронного содержания вдоль силовых линий геомагнитного поля.
Ключевые слова: навигационные системы, источники погрешности позиционирования, аврораль-ные возмущения.
DOI: 10.7868/S0207401X15100052
ВВЕДЕНИЕ
Основой для проведения настоящей работы является часто встречающаяся ассоциация полного электронного содержания (ПЭС) и его вариаций с пространственно-временными вариациями интенсивности полярных сияний и сопутствующими вариациями геомагнитного поля [1—4]. Рисунок 1 показывает подобие азимутальных распределений неоднородностей ПЭС и свечения аврорального овала по наблюдениям в Антарктике [4].
Рисунок 2 показывает вариации ROT (Rate of TEC (Total Electron Content)) в пунктах Тромсе (69°39' N 18°57' W) и Калининград (54°43' N 20°30' W) и имеющие место в то же самое время геомагнитные пульсации в обсерваториях Ловозеро (68°02' N 35°00' W) и Соданкюла (67°22' N 26°38' W). Подобное развитие временных вариаций в наблюдаемых отклонениях двух процессов в случае магнитной бури 1—2 октября 2013 г. и соответствующие количественные исследования пространственных вариаций амплитуд этих отклонений могут привести к интересным результатам по определению конкретного источника ошибок позиционирования, ассоциированных с авроральными явлениями.
Следует заметить, что исследования вариаций ПЭС в условиях развития геофизических возмущений и даже их учет в отдельных случаях, например из-за диффракции сигнала на неоднородностях [5], могут быть недостаточными для обеспечения полностью
а 12
б 12
18
0618
06
24
24
Рис. 1. а — Нормализованная вектор-азимутальная диаграмма числа ионосферных неоднородностей (ПЭС-пятен), наблюдающихся в 30-градусных секторах (радиус сектора пропорционален площади занятой пятнами). б — Диаграмма зон покрытия полярными сияниями аврорального овала в 30-градусном секторе (радиус сектора пропорционален площади, занятой сияниями).
3
33
ROT
3 6 9 12 15 18 21 24 3 6 9 12 15 18 21 24
3 6 9 12 15 18 21 24 3 6 9 12 15 18 21 24
UT, ч
Рис. 2. Временные ряды скорости изменения вариаций ПЭС (ROT) на станциях Тромсе (69°39' N 18°57' W) — а и Калининград (54°43' N 20°30' W) — б; спектрограммы геомагнитных пульсаций в обсерваториях Ловозеро (68°02' N 35°00' W) — в и Соданкюла (67°22' N 26°38' W) - г.
а
0
детерминированной картины ошибок позиционирования. Поэтому, вообще говоря, представляет интерес исследовать прямые измерения погрешностей позиционирования в периоды авроральной активности.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Данные навигационных спутников GPS и ГЛОНАСС были получены нами на арктических станциях. В ряде случаев мы использовали одно-частотные приемники (типа GARMIN-128), применяя метод ограничения диаграммы приемника сигнала [1] для повышения чувствительности к внешним воздействиям. Для того чтобы выделить физические эффекты, связанные с влиянием вторжения авроральных частиц в ионосферу на распространение сигналов высокоорбитальных навигационных спутников, было предложено блокировать часть поля зрения приемника к югу от его местонахождения, как показано на рис. 3. В такой ситуации число навигационных спутников, которые система выбирает в качестве рабочего созвездия будет меньше, и все они будут локализованы в северной части неба, где обычно происходят и полярные сияния. Радиосигнал от этих спутников распространяется преимущественно сквозь авроральную ионосферу, которая практически все время возмущена, и варьируется только степень ее возмущения. Таким образом, ограничение числа рабочих спутников с южной стороны не препятствует уменьшению точности позиционирования за счет влияния авроральной ионо-
сферы, как это могло бы быть при наличии спутников на юге. Это делает систему более чувствительной к внешним эффектам при прохождении навигационного сигнала внутри авроральной зоны. Этот метод позволяет нам обнаружить экспериментально ошибки позиционирования, связанные с авроральной ионосферой не только в редкие периоды планетарных магнитных бурь, но также и в периоды локальных авроральных возмущений типа суббурь. Авроральная активность контролировалась наблюдениями оптических камер всего неба Полярного геофизического института, расположенных на Кольском полуострове и Шпицбергене (Ловозеро и Баренцбург), а также поддерживалась наблюдениями сияний и вариаций геомагнитного поля в северной Скандинавии. Обработка данных проводилась с помощью программ "Visual GPSXP" и "GPS Analyzer", позволяющих получать временные ряды погрешностей позиционирования и положения спутников на небосводе.
Прием и регистрация навигационных сигналов со спутников GPS/ГЛОНАСС проводились на станции Баренцбург (78°05' N 14° 12' W) приемным комплексом, включающим в себя двухча-стотный приемник Javad of Maxor Company, который позволяет получать сигналы двух навигационных систем, GPS и ГЛОНАСС. Сбор данных идет с частотой 1 Гц, которая позволяет идентифицировать мелкомасштабные неоднородности и процессы в полярной ионосфере. В настоящей работе мы выбрали для анализа интервал с 18:00 до 21:00 UT 24.11.2009 г., который включает в себя
Рис. 3. Схематическое изображение снимка камеры всего неба с авроральной дугой, наблюдаемой в северной части неба (верхний круг) и диаграммы направленности приемника с наличием в ней навигационных спутников в случае полностью открытого поля зрения и при блокировке южной части небосвода (нижние круги).
спокойную ситуацию (без полярных сияний), ситуацию, когда сияния перекрывают диаграмму направленности антенны частично, и ситуацию, когда полярные сияния полностью охватывают
поле зрения приемника. Первичные полученные данные были преобразованы и конвертированы в формат ЯШЕХ (Яесегуег-ШёерепёеП; ЕХ^а^е) для дальнейшей обработки.
17:00 17:30 18:0^ 18:30 19:00 19:30 20:00
UT, ч
Рис. 5. Временные вариации Х-компоненты геомагнитных возмущений 24.11.2009 по данным сети магнитометров IMAGE, расположенных в Нью-Алезун-де (Ny Alesund - NAL) - 78.92 N, 11.95 E; Лонгиербю-ене (Longyearbyen - LYR) - 78.20 N, 15.82 E; Хорнзунде (Hornsund - HOR) - 77.00 N, 15.60 E, а также на о. Хоупен (Hopen Island - HOP) - 76.51 N, 25.01 E и о. Медвежий (Bear Island - BJN) - 74.50 N, 19.20 E.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 4 приводятся данные одновременных измерений погрешности позиционирования по направлению север-юг в Мурманске приемником с ограниченным полем зрения и кеограмма (развитие временных изменений интенсивности полярных сияний по линии север-юг кадра камеры всего неба) за 25.03.2007 г. обсерватории Соданкюла. Кеограмма в рассмотренном случае показывает, что авроральные дискретные формы движутся в направлении север-юг, при этом наблюдаются флуктуации положения южной границы сияний. Очевидно, что около 21:30 UT когда мы наблюдаем наиболее интенсивные и наиболее экваториальные формы сияний, на временной кривой значений погрешности позиционирования происходит нарушение работы навигационной системы GPS. Очевидно, это может происходить вследствие того, что в данное время качество приема сигнала навигационных спутников низкое и зависит от того, проходит или нет сигнал сквозь возмущенную ионосферу. Навигационная система выбирает спутниковые сигналы, которые не искажаются возмущенной ионосферой, однако ее выбор касается только
спутников в северной части небосвода (южную часть мы искусственно заблокировали). Но эта часть как раз и демонстрирует наличие полярных сияний, маркирующих возмущения в ионосфере. Вышеприведенные выводы были получены по результатам измерений с помощью одночастот-ного приемника с ограничением поля зрения, и только на этой основе мы предположили, что в случае возмущений в ионосфере ошибки позиционирования могут быть значительными, вплоть до нарушения целостности системы. Фактически, если рассматривать соотношение сигнал/помеха, ограничивая поле зрения приемника, то мы повышаем его чувствительность для обнаружения помехи. Возражения против оценки значительности влияния возмущенной ионосферы сводятся обычно к тому, что нарушение проходящих через область возмущения сигналов от отдельных спутников не повлияет на точность позиционирования, так как всегда есть возможность выбора рабочего созвездия спутников, сигнал от которых достигает приемника без помех. В общем случае это может быть верным, так как даже для многих полярных регионов в северном полушарии сияния наблюдаются преимущественно на севере [6]. Однако при продвижении местоположения приемника к полюсу или при наличии большой магнитной бури ситуация может измениться. Для нарушения приема навигационных сигналов важным является сюжет, когда полярные сияния (ионосферные возмущения) полностью охватывают поле зрения приемника и могут нарушать прием сигналов всех спутни
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.