КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2009, том 47, № 2, с. 146-157
УДК 523.62
СБОИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ
СИСТЕМ GPS-ГЛОНАСС, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ МОЩНЫМ РАДИОИЗЛУЧЕНИЕМ СОЛНЦА ВО ВРЕМЯ СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШЕК 6, 13 ДЕКАБРЯ 2006 г. И 28 ОКТЯБРЯ 2003 г.
© 2009 г. Э. Л. Афраймович, Н. С. Гаврилшк, В. В. Демьянов, Г. Я. Смольков, А. Б. Ишин
Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск afra@iszf.irk.ru Поступила в редакцию 18.07.2007 г.
В статье сообщается об ухудшении качества функционирования GPS во время солнечных вспышек 6 и 13.XII.2006 г., сопровождающихся беспрецедентно высоким уровнем потока солнечного радиоизлучения. Проведено сравнение этих событий с солнечной вспышкой 28.X.2003 г. Получено статистически значимое экспериментальное свидетельство того, что во время наиболее сильных всплесков солнечного радиоизлучения GPS позиционирование на освещенной стороне Земли было частично парализовано. Полученные результаты дают серьезный повод для пересмотра роли факторов космической погоды в работе современных спутниковых систем и более тщательного учета этих факторов при разработке и эксплуатации.
PACS: 45.50.Pk
1. ВВЕДЕНИЕ
6.XII.2006 г. с 18.29 до 19.00 UT произошла солнечная вспышка класса X6.5, необыкновенно заинтриговавшая не только астрономов и радиоастрономов, но гораздо более широкий круг ученых и инженеров. В рентгеновском (X) и дальнем ультрафиолетовом (EUV) диапазонах эта вспышка была далеко не самой мощной, однако последовавшее за вспышкой с 19.25 до 19.40 UT широкополосное солнечное радиоизлучение превысило по интенсивности радиовсплески всех известных до сих пор вспышек как минимум на два порядка. Это привело к сбоям в работе широкополосных спутниковых радиосистем, в том числе навигационной системы GPS. На отдельных приемных станциях GPS были отмечены сбои функционирования, а на специализированных приемниках-мониторах ионосферных мерцаний зарегистрированы глубокие замирания сигнала GPS [1]. Чтобы оценить масштаб поражения всей системы GPS позиционирования, необходим детальный анализ влияния вспышки 6.XII.2006 на функционирование GPS в глобальном масштабе.
Известно, что на эффективность работы GPS оказывают влияние ионосферные неоднородности, вызывающие рассеяние сигнала GPS [2]. Такие неоднородности типичны для экваториальной и авроральной областей, а во время главной фазы магнитных бурь - и для среднеширотных регионов [2-5]. Чтобы отделить эффекты, вызванные непосредственно солнечными вспышка-
ми, от эффектов последующих геомагнитных возмущений, полезно одновременно с анализом параметров сигналов GPS оценить изменения полного электронного содержания (ПЭС), вызванные вспышкой в УФ диапазоне.
Целью настоящей работы является анализ отклика полного электронного содержания в ионосфере и сбоев функционирования GPS во время вспышек 6.XII.2006 г. и 13.XII.2006 г. в сравнении с вспышкой 28.X.2003 г.
Для анализа отклика ПЭС и сбоев GPS были использованы доступные по сети Интернет 30-с данные глобальной сети наземных приемных станций GPS в формате RINEX (всего около 750 станций; http://lox.ucsd.edu/cgi-bin/al-lCoords.cgi?). Наличие в глобальной сети небольшого количества многоканальных комбинированных приемников GPS-ГЛОНАСС (около 44 шт.) позволило нам провести необходимый сравнительный анализ.
В качестве индекса солнечной активности использованы данные об интегральном потоке EUV излучения Солнца в диапазоне 0.1-50 нм, полученные на космической станции SEM/SOHO [http://www.usc.edu/dept/space_science/semdatafolder/]. Данные о рентгеновском излучении представлены на сайте http://www.sel.maa.gov/ftpmenu/lists/xray.html. Сведения о потоке солнечного радиоизлучения 6.XII.2006 г. получены по данным радиогелиографа Owens Valley Solar Array (OVSA), США [1]; для 13.XII.2006 г. - по данным RSTN спектрографа RSTN/Learmonth, Австралия, и для 28.X.2003 г. -
- 7•1010 6 • 1010 \ 5•1010 g 4•1010 ! 3•1010
J 2•1010 " 6 • 10-4
0.1-50 нм
S
н 4 • 10" Я
^ 2 • 10
i-4
i-4
М
щ
О
U
I
о
л
5
12 8 4 0
(a)
•S3 -4
v 18.00
1 л Х6.5 18.47 (б) 1 \ 1 V -0.05-0.4 нм \ -0.1-0.8 нм 1 ——
-_n - 1106 n - 297 i (в) A - i i
18.30
19.00
1.2
0.8 0.4 0
-0.4
19.30 20.00 Время, ИТ
Рис. 1. Солнечная вспышка 6.ХП.2006 г. Пунктирной вертикальной линией отмечен момент максимального значения производной ПЭС, совпадающей с производной УФ.
2 6•1010 г
i 5•1010
^ 4•1010
§ 3 • 1010 н
Ф 2•1010
| 4 • 10-4
(a)
3 • 10
¿а2 •10
§ 1•10-4 >< 0
0.05-0.4 нм 0.1-0.8 нм
(в)
n - 3180 0.8
n - 253 0.6
- 0.4
__- 0.2
0
-0.2
3.3 4.0 Время, UT
Рис. 2. То же, что на рис.1, но для солнечной вспышки 13.XII.2006 г.
0
по данным спектрографа TRST в Триесте, Италия.
2. СОЛНЕЧНЫЕ ВСПЫШКИ В УФ, РЕНТГЕНОВСКОМ И РАДИОДИАПАЗОНЕ
2.1. Вспышка 6.XII.2006 г. 5.XII.2006 г. и 6.XII.2006 г. после длительного (порядка 15 месяцев) интервала низкого уровня солнечной активности (характерного для эпохи минимума солнечного цикла) в активной области (АО) NOAA 10930, появившейся на восточном лимбе солнечного диска 4.XII, имела место беспрецендентная по числу и мощности серия вспышек. Только 6.XII.2006 г. с 01.30 до 23.45 UT были зарегистрированы около 70 различных событий, в т.ч. 38 рентгеновских вспышек: 18 балла C, 4 балла M, 15 балла B и 1 балла X. В интервале с 18.29 до 19.00 UT произошла вспышка балла X6.5 [http://www. sel.noaa.gov/ftpmenu/lists/xray.html]. В 18.42 UT зарегистрировано начало радиовсплеска II типа -индикатора ударной волны. Около 19.30 UT начался выброс корональной массы (ВКМ), сопровождаемый мощным радиоизлучением в диапазоне 1-10 и более МГц, который был зарегистрирован на космической станции WIND WAVES
(http://cdaw.gfc.nasa.gov/CME_list/daily_movies/2006/ 12/06/c2eit_waves4laptop.html). С 18.44 UT зафиксирован протяженный радиовсплеск IV типа, сопровождавший вспышку балла более М5.
На рис. 1а показаны зависимости изменения потока EUV излучения, а на рис. 16 - потока рентгеновского излучения в диапазонах 0.1-0.8 нм (полужирная кривая) и 0.05-0.4 нм (тонкая кривая). Форма и совпадение по времени этих зависимостей являются типичными для солнечной вспышки класса X.
С большим запаздыванием (около 40 мин) вслед за вспышкой X6.5 последовал мощный всплеск в радиодиапазоне (интервал времени отмечен на рис. 1в символом A и полужирной горизонтальной прямой). Согласно данным радиоспектрографа OVSA, приведенным в [1], в интервале времени 19.30-19.40 UT уровень радиошума в частотном диапазоне GPS (1.2-1.6 ГГц) превзошел 105 солнечных единиц потока радиоизлучения (s.f.u.), равных 10-22 Вт м-2 Гц-1; в отдельные моменты уровень достигал 106 s.f.u., при фоновом значении не более 100 s.f.u. (рис. 4а, рис. 9а, 9д). На рис. 5д. спектр радиоизлучения показан с более высоким временным разрешением.
-10
10.00
10.30
11.00
5 4 3 2 1
_0
11.30 12.00 Время, UT
Рис. 3. То же, что на рис.1, но для солнечной вспышки 28.X.2003 г.
2.2. Впышка 13.XII.2006 г. балла X3.4/4B произошла с 02.14 до 02.57 UT (максимум в 02.40 UT) в прилимбовой АО 10930 с координатами S05W23. Эта вспышка сопровождалась радиовсплеском IV типа, начинавшимся в 02.25, всплеском II типа с 02.26 UT, интенсивным радиоизлучением на длине волны 10 см с 02.22 до 03.46 UT (длительность 84 мин, максимум 44000 s.f.u.) [http:// www.sel.noaa.gov/ftpmenu/lists/xray.html].
На рис. 2а показаны зависимости изменения потока EUV излучения, а на рис. 26 - потока рентгеновского излучения в диапазонах 0.1-0.8 нм (полужирная кривая) и 0.05-0.4 нм (тонкая кривая). Форма этих зависимостей близка к форме соответствующих зависимостей вспышки 6.XII.2006 г.
В отличие от вспышки 6.XII.2006 г. первый мощный всплеск радиоизлучения A в интервале времени 02.25-02.28 UT зафиксирован практически синхронно с началом вспышки в EUV диапазоне. Однако спустя час с 03.30 до 03.37 UT последовал еще более мощный радиовсплеск B (эти всплески отмечены на рис. 2в полужирными горизонтальными прямыми). Согласно данным радиоспектрографа RSTN/Learmonth, приведенным на сайте http://www.ngdc.noaa.gov/stp/SOLAR/ftp-solarradio.html, уровень радиошума F(t) на частоте
1415 МГц для обеих всплесков превзошел 105 s.f.u. Следует отметить, что сигнал солнечного радиоизлучения зафиксирован на этой станции с заметным ограничением по амплитуде (рис. 6д; уровень ограничения спектрографа ~110000 s.f.u. отмечен горизонтальной прямой), так что максимальные значения F(t) могут отличаться от F(t) вспышки 6 декабря всего в несколько раз.
2.3. Вспышка 28.X.2003 г. Следует отметить, что никогда до события 6.XII.2006 г. столь высокий уровень солнечного радиоизлучения не отмечался даже во время более мощных солнечных вспышек. Сильнейшая вспышка балла Х17.2/4В была зарегистрирована с 09.51 UT 28.X.2003 г. в АО 10486 [http://www.sel.noaa.gov/ftp-menu/lists/xray.html].
На рис. 3 а показаны зависимости изменения потока EUV излучения во время вспышки X17.2 28.X.2003 г., а на рис. 36 - потока рентгеновского излучения в диапазонах 0.1-0.8 нм (полужирная кривая) и 0.05-0.4 нм (тонкая кривая). Форма и совпадение по времени этих зависимостей подобны соответствующим зависимостям вспышки 6.XII.2006 г., однако интенсивность потока EUV и рентгена почти в 2-3 раза выше. Другое важное отличие этих вспышек состоит в том, что сравнительно мощная вспышка в радиодиапазоне началась практически одновременно с вспышкой в EUV и рентгеновском диапазонах, но после небольшого спада продолжалась еще в течение длительного времени порядка получаса (отмечено на рис. 3в и рис. 7д символами A и B). Согласно данным радиоспектрографа TRST [http://radio-sun.ts.astro.it/eng/load.php?la = 2&pg = 1], в интервале времени с 11.00 до 11.15 UT уровень радиошума в диапазоне GPS превзошел 6 ■ 103 s.f.u. (рис. 7д). Это на два порядка выше фоновых значений, но в 100 раз ниже, чем во время вспышки 6.XII.2006 г. (рис. 5д).
3. МЕТОД ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ГЛОБАЛЬНОЙ СЕТИ ПРИЕМНИКОВ GPS И ГЛОНАСС
Для количественной оценки степени воздействия солнечного радиоизлучения на функционирование приемников GPS в настоящей работе использовались различные критерии.
Прежде всего, по методике [4, 5] фи
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.