ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 4, с. 503-507
УДК 550.388.2,621.371
МЕТОД КОРРЕКЦИИ МОДЕЛИ ИОНОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ ШИРОКОЗОННЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
© 2014 г. К. В. Бакурский1, А. С. Зарубин2, Т. О. Мысливцев1, П. В. Савочкин1, И. В. Сахно1, Б. В. Троицкий1, А. П. Шпаков1
1Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского, г. Санкт-Петербург 2Российский государственный гидрометеорологический университет, г. Санкт-Петербург
e-mail: borya.troitsky@yandex.ru Поступила в редакцию 08.04.2013 г. После доработки 28.08.2013 г.
Разработан метод коррекции модели ионосферы на основе данных, получаемых от широкозонных дифференциальных систем спутниковой радионавигации. Данный метод позволяет получить распределение электронной концентрации в масштабе времени, близком к реальному, и может применяться для условий возмущенной ионосферы, когда определение критической частоты слоя F2 затруднено или невозможно. Параметры ионосферы, полученные по данным станций вертикального зондирования и восстановленные по скорректированной модели, хорошо согласуются, что позволяет использовать такой подход для ионосферного обеспечения различных радиотехнических систем.
DOI: 10.7868/S0016794014040117
1. ВВЕДЕНИЕ
Радиотехнические комплексы, использующие КВ и УКВ диапазоны радиоволн для решения задачи местоопределения объектов, требуют наличия программного обеспечения, определяющего связь характеристик сигнала с параметрами среды распространения, в том числе и с ионосферой [Бочаров и др., 1992; Иванов и др., 2013].
Этой цели может служить, например, метод траекторных расчетов (МТР), который для заданной модели ионосферы, описывающей концентрацию электронов в пространстве и времени Ые(г, 1), позволяет легко определять время распространения, углы прихода сигнала, доплеров-ский сдвиг частоты и др. Погрешность вычислений будет зависеть главным образом от неточности задания распределения и динамики электронной концентрации в ионосфере, а в соответствии с современными требованиями модель должна в масштабе времени, близком к реальному, выдавать Ые(г, 1) в области с горизонтальным размером порядка нескольких тысяч километров. Применяемая модель должна корректироваться оперативными данными измерений параметров ионосферы и, таким образом, адаптироваться на текущие гео-и гелиофизические условия.
В качестве управляющего параметра модели может выступать ионосферный индекс солнечной активности (ИИСА), поскольку первичные индексы и /10.7 подвержены заметным ва-
риациям ото дня ко дню и имеют лишь одно значение в сутки.
В последние два десятилетия самым доступным, глобальным и непрерывно измеряемым параметром ионосферы выступает полное электронное содержание (ПЭС = JNedh) (то же, что
TEC — Total Electron Content), получаемое при анализе фазовых и групповых задержек сигналов сред-неорбитальных группировок спутниковых радионавигационных систем типа GPS и ГЛОНАСС, принимаемых двухчастотными приемниками. Количество таких приемников в отдельных регионах уже довольно велико и продолжает расти, поскольку данные о ПЭС используются для повышения точности местоопределения пользователей одно-частотной аппаратурой потребителя. В результате растет точность и оперативность поставки региональных карт ПЭС, которыми можно воспользоваться для коррекции модели ионосферы.
В работе [Иванов и др., 2013] предложен способ восстановления параметров ионосферы по данным карт ПЭС с использованием модели ионосферы SPIM (Standard Plasmasphere — Ionosphere Model) [http://ftp.izmiran.ru/pub/izmi-ran/SPIM/] [Gulyaeva et al., 2002; Троицкий и др., 2007]. Коррекция модели осуществлялась путем минимизации квадрата разности между ПЭС, рассчитанным по модели, и ПЭС, полученным по данным мировой сети измерительных станций International GPS Service при варьировании управляемого параметра — индекса солнечной ак-
504
БАКУРСКИЙ и др.
тивности. Проверка способа по картам ПЭС североамериканского региона показала, что средняя погрешность восстановления критических частот слоя F2 ионосферы (foF2) по сравнению с данными станций вертикального зондирования (ВЗ), расположенных в том же регионе, составила ~10% даже в магнитовозмущенные периоды. С учетом ошибок, присутствующих при измерениях ПЭС и построении его карт, а также неучета в моделях не-однородностей электронной концентрации с масштабом менее 1000 км и амплитудой в единицы процентов, погрешность в 10% представляется предельной.
В статье предлагается дальнейшее развитие способа коррекции модели ионосферы, целью которого является повышение оперативного и качественного ионосферного обеспечения радиотехнических систем локации, навигации и связи.
2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ ШИРОКОЗОННЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ КОРРЕКЦИИ МОДЕЛИ ИОНОСФЕРЫ
Ниже описывается вариант коррекции модели по данным об ионосферных задержках сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС), которые передаются по сети Internet или с геостационарных ИСЗ потребителям широкозонных дифференциальных систем SBAS (Space Based Augmentation System), в число которых входит WAAS (Wide Area Augmentation System, Северная Америка), EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service, Европа), GAGAN (GPS Aided Geo Augmented Navigation, Индия), MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation System, Япония) и СДКМ (Система дифференциальной коррекции и мониторинга, Россия).
В качестве исходных данных для адаптации модели ионосферы используются значения вертикальных задержек до высоты полета навигационных спутников системы GPS (~20140 км) на частоте L1 = 1572.42 МГц, полученные на основе непрерывных измерений сети двухчастотных навигационных приемников.
В настоящее время сеть первичных приемных пунктов с двухчастотной навигационной аппаратурой потребителя в системе EGNOS насчитывает 34 станции с возможностью дальнейшего увеличения до 50-ти станций. На каждой из них по сигналам двухчастотной навигационной аппаратуры потребителя L1/L2 проводятся измерения ПЭС с последующей передачей данных в центры обработки [www.egnos-pro.esa.int/index.html]. В центрах проводится статистическая обработка измерительной информации и рассчитывается региональная карта ПЭС, на основе которой формируются данные о вертикальных ионосферных
задержках и оценки их дисперсии, выраженные в метрах. Экстраполированные на узлы пятиградусной сетки зоны ответственности системы EG-NOS значения задержек закладываются на геостационарные ИСЗ и, кроме того, непрерывно транслируются в сеть Internet.
В процессе оптимизации осуществляется поиск минимума квадрата нормы невязки между рассчитанной по модели SPIM ионосферной поправкой по дальности lp (м) и полученной в узлах сетки SBAS li (м) в соответствии с выражением F(W) = ||lp —1,||2, где в качестве оптимизационного параметра выступает индекс солнечной активности W. При поиске минимума используется адаптивный метод перебора значений индекса, сходимость которого контролируется в процессе решения задачи адаптации. После оптимизации имеется набор рассчитанных индексов солнечной активности для каждого узла сетки SBAS, отличающихся от прогнозных SSN и отражающих состояние ионосферы в конкретный момент времени с учетом имеющихся неоднородностей электронной концентрации. Последние могут приводить к существенному разбросу значений ИИСА в масштабах контролируемого региона, поэтому необходимо построение его карт, которое осуществляется с использованием интерполяции внутри ячейки SBAS 5° х 5°. Таким образом, зная региональное распределение ИИСА, по модели SPIM можно рассчитать значение электронной концентрации в любой точке контролируемого региона.
На рисунке 1 приведена карта SBAS, на которой изображен участок ответственности системы EGNOS [Current ..., 2010], по данным которой проверялась эффективность способа восстановления Ne на произвольно выбранную дату 03.06.2012 г. Точками обозначены узлы координатной сетки, на которые поступает информация с геостационарного ИСЗ по ионосферным задержкам, а крестиками — места расположения станций ВЗ с их условными номерами, полученные с сайта [http://spidr.ngdc.noaa.gov].
Количество узлов сетки с информацией изменяется со временем, например, расширяясь по долготе до ±60°. Значения поправок в узлах также подвержены временным изменениям с интервалом, равным частоте обновления данных на геостационарном спутнике (от десятков секунд до десятков минут).
Для выбранных координат, совпадающих с координатами пунктов вертикального зондирования (ВЗ), были получены значения оптимизированных ИИСА. Результат обработки поправок в узлах координатной сетки представлен на рис. 2 в виде карт ИИСА. Сплошными линиями обозначены линии уровней индекса, а цифрами — его значения, полученные с помощью оптимизации. Формирование таких карт в реальном масштабе
МЕТОД КОРРЕКЦИИ МОДЕЛИ ИОНОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ
505
60° W 90° N
40° W
20° W
0° —г-
20° Е
40° Е
60° Е
О
80° N -
70° N
60° N -
хьош о
л
50° N -
40° N -
30° N
О о
20° N
О о о о
о о о о
£
о о о о
о о о о
о о о о
- 1
о о о о
о о о О
■
о о • о
-о 1 -о
О ^МФ68 О TR170 л
•О О О О
о
М0155
М
оооооооооХ ХЯЬ052 ХМ2152
оооо&ооо
Р0052
) о
0041
0 V
ООО
о о
ЗТОО О О
и- \
о «л о
о о
I X
\S237
Рис. 1. Участок ответственности системы EGN0S и расположение станций вертикального зондирования ионосферы европейского региона.
90
80
70 -
& 60
ей Н О
л
50
а
40 -
30
20 -60
Дата: 03.06 2012 г. Время 12:00 иТ
-40 -20 0 20
Долгота, град
40
Рис. 2. Карта ИИСА для момента времени 12:00 иТ 3 июня 2012 г. ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ том 54 № 4 2014
506 БАКУРСКИЙ и др.
Средние значения оптимизированного ИИСА для европейского региона
№ п/п Время UT Среднее значение оптимизированного ИИСА
1 8:00 81.9
2 12:00 82.5
3 16:00 88.7
4 20:00 89.4
времени дает возможность отслеживать движения как глобальных, так и локальных возмущений без привлечения данных станций ВЗ, а также в условиях, когда расшифровка ионограмм ВЗ невозможна из-за диффузных отражений сигнала от ионосфры, спорадических слоев, неоднородно-стей и т.п. Некоторые а
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.