CC BY
722
ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 550.388.2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛНОГО ЭЛЕКТРОННОГО СОДЕРЖАНИЯ ПО СИГНАЛАМ СПУТНИКОВ ГЛОБАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ГЛОНАСС
Е.Д. Терещенко, А.Н. Миличенко, М.В. Швец, С.М. Черняков, И.В. Кораблева
Полярный геофизический институт КНЦ РАН
Аннотация
В работе представлен метод оперативного определения полного электронного содержания по сигналам спутников Глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС. Проведено сравнение рассчитанных значений полного электронного содержания по сигналам спутников ГЛОНАСС с величинами полного электронного содержания, полученными по расчетам глобальной численной модели верхней атмосферы Земли UAM и данным глобальной ионосферной карты GIM.
Ключевые слова;
Глобальная навигационная спутниковая система, полное электронное содержание, дифференциальная кодовая задержка.
Введение
Исследование природы околоземного космического пространства представляет собой фундаментальную проблему, важную как для научных, так прикладных целей. При ее решении используют различные экспериментальные и модельные методы. С запуском космических аппаратов на околоземную орбиту начали развиваться спутниковые методы изучения окружающей среды.
После запуска на орбиту спутников глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) GPS (Global Positioning System / глобальная система позиционирования), ГЛОбальной НАвигационной Спутниковой Системы (ГЛОНАСС), развертывания в последнее время европейской системы Галилео (Galileo) и китайской - Бэйдоу (Beidou) спутники этих систем стали активно использоваться для исследования ионосферы.
Подсистема спутников системы ГЛОНАСС состоит из 24 навигационных спутников, находящихся на круговых орбитах высотой 19 100 км, наклонением 64.8° и периодом обращения 11 часов 15 минут в трех орбитальных плоскостях, разнесенных по долготе на 120°. В каждой орбитальной плоскости размещаются по 8 спутников [1]. Спутниковая группировка системы GPS обращается вокруг Земли по круговым орбитам с одной высотой порядка 20 200 км и периодом обращения 11 часов 58 минут. Наклонение орбиты 55° - общее для всех спутников системы. Спутники системы GPS обращаются вокруг Земли в 6 различных плоскостях, по 4 аппарата в каждой [2].
Спутники этих систем излучают две, а в последнее время уже и три когерентные частоты, что позволяет рассчитывать полное электронное содержание (ПЭС) вдоль луча зрения от приемника ГНСС до спутника. Расчет ПЭС основан на дисперсионной зависимости показателя преломления радиоволн, распространяющихся через ионосферу, и учитывает электронную концентрацию на пути распространения радиоволны. Среда распространения оказывает влияние на характеристики распространяющегося сигнала, поэтому анализ изменений сигнала позволяет получить характеристики среды и, таким образом, осуществлять ее дистанционное зондирование. Конфигурация ГНСС обеспечивает непрерывный и глобальный прием навигационных сигналов, поскольку в поле зрения приемника потребителя ГЛОНАСС/GPS всегда находится как минимум 8 непрерывно перемещающихся спутников. Это позволяет получать распределение ПЭС в пространстве и во времени [3]. Спутники системы
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
32
Определение полного электронного содержания по сигналам спутников ...
ГЛОНАСС имеют большее наклонение орбиты, чем спутники других ГНСС, что дает преимущество при исследовании процессов в высоких широтах.
Спутники системы GPS излучают когерентные радиоволны двух частот - f = 1575.42 МГц (поддиапазон частот L1) и f2 = 1227.60 МГц (поддиапазон частот L2). Каждая из этих частот промодулирована своим псевдослучайным дальномерным кодом. GPS-приемники имеют собственный генератор с теми же частотами f и f2, что и генератор спутника, в приемнике эти сигналы также модулируются псевдослучайным дальномерным кодом, идентичным коду спутника. Время распространения сигнала от генератора сигналов спутника до цифрового процессора приемника при кодовых измерениях получают при корреляционной обработке одинаковых участков кода, сгенерированного приемником и принятого со спутника.
Спутники ГЛОНАСС также излучают две частоты, но номинальные значения несущих частот излучения каждого спутника отличаются и могут быть рассчитаны по следующим формулам:
f1K = (1602+ K-562.5) МГц,
f2K = (l246+ KA37.5) МГц,
где K = -7,.,0,., 6 - номера несущих частот навигационных радиосигналов, излучаемых спутниками в частотных поддиапазонах L1 и L2 соответственно. У каждого спутника рабочие частоты когерентны и формируются от общего стандарта частоты. Для определения времени распространения сигнала в системе ГЛОНАСС также используется корреляционная обработка псевдослучайного дальномерного кода. В системе GPS разделение сигналов кодовое: спутники излучают на одних и тех же частотах, но каждый имеет свой код. Система ГЛОНАСС использует частотное разделение сигналов: каждый спутник имеет свои частоты, но у всех одинаковые коды.
Методы расчета ПЭС при распространении сигналов спутников ГНСС в ионизированной среде постоянно совершенствуются. Одним из основных источников ошибки при оценке ПЭС являются инструментальные задержки, т.е. временные задержки прохождения сигналов по цепям приемника потребителя и передатчика спутника. Задержка сигнала в цепях передатчика спутника и приемника потребителя зависит от частоты сигнала, передаваемого спутником, что вызывает смещение сигналов на частотах f1 и f2 относительно друг друга. Обычно их называют дифференциальными кодовыми задержками (differential code biases, DCBs). Все спутники системы GPS излучают сигналы на двух одинаковых частотах f1 и f2. Спутники GPS имеют индивидуальные задержки этих сигналов в передающих цепях, но в цепях конкретного приемника потребителя каждая частота имеет одинаковую задержку. Спутники ГЛОНАСС передают сигналы на различных частотах f1K и f2K. Задержки сигнала у спутников различны внутри передающих цепей, и при этом в приемнике ГЛОНАСС каждая частота f1K и f2K также имеет свою задержку. Такое частотное разделение сигналов усложняет задачу определения дифференциальных кодовых задержек для сигналов спутников ГЛОНАСС.
Дифференциальные кодовые задержки участвуют в расчете ПЭС как вклад «виртуальной» ионизованной составляющей среды, вызвавшей смещение сигналов относительно друг друга. DCBs сигналов в цепях аппаратуры спутников и приемников могут достигать нескольких десятков наносекунд, что сравнимо или даже превосходит реально получаемые значения ПЭС [4, 5]. Ошибка в одну наносекунду равна приблизительно 2.9 TECU, где TECU - внесистемная общепринятая единица ПЭС, равная 1016 электрон/м2.
Определение ошибок измерения времени распространения сигнала, вызванных дифференциальными кодовыми задержками в цепях передатчика спутника и приемника потребителя, - важный элемент в задаче определения полного электронного содержания между спутником и приемником. Для спутников GPS она решена в том или ином приближении, для спутников ГЛОНАСС пока нет. Авторы настоящей статьи предлагают метод оперативного определения ПЭС по сигналам спутников ГЛОНАСС.
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
33
Е.Д. Терещенко, А.Н. Миличенко, М.В. Швец и др.
1. Метод определения полного электронного содержания с помощью сигналов спутников ГЛОНАСС
1.1. Полное электронное содержание: основные понятия
Исходные данные для расчета ПЭС получают в виде бинарных файлов, формируемых в приемнике потребителя. Для того чтобы с ними можно было работать, бинарные данные переводят в текстовый вид. Формат получаемых текстовых файлов унифицирован и представляет собой международный аппаратно-независимый формат обмена данными для файлов исходных данных спутниковых навигационных приемников, позволяющий производить постобработку полученных данных. Его общепринятое название RINEX (The Receiver Independent Exchange Format). Основные исходные данные для расчета ПЭС (псевдодальности Р1 и Р2, фазы L1 и L2, для поддиапазонов L1 и L2, соответственно) берутся из файлов RINEX [6]. Псевдодальность определяется из кодовых измерений как расстояние между спутником и приемником, вычисленное по времени распространения сигнала без поправки на расхождение часов спутника и приемника. Время распространения сигнала можно разделить на три различные составляющие: задержку сигнала, происходящую на спутнике между генерацией сигнала и его передачей из антенны спутника; время прохождения сигнала от передающей антенны до антенны приемника и задержку сигнала между принимающей антенной и коррелятором сигналов в приемнике. Временная разность включает также уход часов спутника и приемника, многолучевость принимаемого сигнала, погрешность измерения. Поскольку рассчитанная таким образом дальность не является геометрической дальностью от антенны приемника до антенны спутника, ее называют псевдодальностью. При фазовых измерениях выполняют измерение разности фаз сигналов - приходящего (со спутника) и опорного (в приемнике) несущей частоты с неопределенным начальным значением числа циклов (волн) (так называемая начальная фаза сигнала - полное изменении фазы при распространении сигнала от генератора спутника до процессора приемника в начальный момент записи сигнала в приемнике потребителя). Значения фазы несущих обозначают L1 и L2 и выражают, как правило, в целых циклах.
В общем виде формулу расчета ПЭС можно записать:
і
I = J nedl,
0
где I - полное электронное содержание, ne - локальная электронная концентрация, l - расстояние по прямой линии между приемником и передатчиком.
Применительно к расчетам по кодовым (псевдодальностям) и фазовым измерениям сигналов спутников ГНСС полное электронное содержание вдоль луча зрения от приемника до спутника вычисляют по следующим формулам [3]:
а) по псевдодальностям с неизвестными дифференциальными кодовыми задержками:
I
SPb
1 ff2
40.38 f
(P2 - P1),
(1)
где f1 - частота поддиапазона L1, f - частота поддиапазона L2, P1 - измеренная псевдодальность на частоте f1, Р2 - измеренная псевдодальность на частоте f2;
б) по фазовым измерениям с неизвестной начальной фазой:
1 SLc
1
fi 72
40.38 fi2 - f2
-(Li-\ -L2■ ),
(2)
где L1'k1 и L2-%2 - приращения фазового пути радиосигнала в ионосфере, L1 = Дф/2п и L2 = Дф/2п - фазовые измерения ГНСС приемника, выполненные на частоте f и f соответственно. Полное электронное содержание ISpb и ISLc называют также наклонным ПЭС (англ. slant TEC).
34
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
Определение полного электронного содержания по сигналам спутников ...
Реальные значения наклонного ПЭС, получаемые по псевдодальностям, можно вычислить, если будут известны дифференциальные кодовые задержки:
Isp = hpb - (Bs + Br), (3)
і /2/22
Bs + Br =
40.38 /і2 - /22 s
(bs + bs ) ,
(4)
где Isp - абсолютное ПЭС по измерениям псевдодальностей, bs - дифференциальные кодовые задержки в аппаратуре спутника, br - дифференциальные кодовые задержки в аппаратуре приемника.
Вариации ПЭС, получаемые по измерениям псевдодальностей, сильно зашумлены из-за эффекта многолучевости: уровень шума составляет в среднем несколько TECU (рис. 1, верхняя сплошная линия). Это делает практически невозможным выделение полезных вариаций ПЭС. В то же время, значения ПЭС, полученные по фазовым измерениям, зашумлены значительно меньше, поэтому для ионосферных исследований предпочтительно используют их (рис. 1, нижняя сплошная линия).
Рис. 1. Полное электронное содержание, рассчитанное по измерениям псевдодальностей и по фазовым измерениям, без учета дифференциальных кодовых задержек и начальной фазы
Отсутствие информации о начальной фазе сигнала не дает возможность рассчитать абсолютные значения ПЭС по фазовым измерениям и использовать их для анализа состояния ионизированной среды. Для того чтобы получить значения ПЭС по фазовым измерениям, сначала рассчитывают, несмотря на многолучевость сигнала, значения ПЭС из псевдодальностей Isp. Откорректированные значения ПЭС по фазовым измерениям Isl для данного пролета спутника получают по формулам (5) и (6) [7]:
ISL = ISLc + Crs-, (5)
C
V
N
1SLci J
i=1
N
(6)
где Crs - величина коррекции, полученная из исходных ПЭС методом наименьших квадратов; N - число измерений, используемых для расчета ПЭС. Результат такой коррекции приведен на рис. 1. Верхняя штриховая кривая показывает положение скорректированного фазового ПЭС Isl.
Значение наклонного ПЭС вычисляют интегрированием электронной концентрации вдоль линии зрения от антенны приемника на спутник, и его нельзя отнести к какой-то конкретной точке пространства. В таком виде ПЭС применяется для решения некоторых задач, но при необходимости высотной локализации возмущений возникает неопределенность
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
35
Е.Д. Терещенко, А.Н. Миличенко, М.В. Швец и др.
в их положении. В этом случае более удобна величина, которую называют вертикальным полным электронным содержанием (ВПЭС). Для того чтобы привязать ПЭС к какой-либо высоте на линии зрения и получить ВПЭС, используют приближение тонкого фазового экрана [8], согласно которому изменения в сигнале происходят лишь на этом экране, расположенном на какой-то высоте. При обработке результатов вычислений выбирается некоторая высота ht, на которой находится центр тяжести профиля электронной концентрации, построенного вдоль линии зрения, или высота, в области которой считается, что ионосфера дает наибольший вклад в ПЭС вдоль линии зрения. В месте пересечения луча зрения с этой высотой, которую называют ионосферной точкой (точкой прокола или прокалывания ионосферы, англ. ionosphere pierce point, IPP), выполняется геометрический пересчёт наклонного ПЭС в ВПЭС.
Iv = Is
1 - ' Re ■ cos(s)>
< Re + ,
(7)
где IV - вертикальное полное электронное содержание; IS - наклонное полное электронное содержание; Re - средний радиус Земли; ht - высота ионосферной точки; s - угол возвышения спутника. При выборе ионосферной точки обычно полагают, что этот выбор для спутников ГНСС не критичен при высоте угла возвышения более 30°, а высота 400 км вполне подходит для решения большинства задач [3]. Тем не менее, выбор высоты пересчета ПЭС в ВПЭС всегда определяется в каждом конкретном случае в зависимости от решаемой задачи.
1.2. Методы определения ПЭС
Для того чтобы получить точные оценки ПЭС, необходимо удалить из рассчитываемых величин вклад дифференциальных кодовых задержек - основной источник ошибки при определении ПЭС. Величины дифференциальных кодовых задержек различны у различных спутников ГНСС и приемников. Помимо необходимости определения дифференциальных кодовых задержек существует проблема их стабильности. Большинство оценок основано на предположении, что величины этих задержек постоянны в течение суток и даже нескольких месяцев [4, 9]. Есть наблюдения, которые показывают, что значения дифференциальных кодовых задержек могут измениться в течение суток и даже в течение часа [10]. При этом их величины зависят от состояния ионосферы. Зарубежные специалисты статистически изучили различие между дифференциальными кодовыми задержками, полученными из данных GPS, для спокойных и возмущенных геомагнитных дней [11]. Оказалось, что среднеквадратичное отклонение дифференциальных кодовых задержек в возмущенные дни больше, чем в геомагнитно спокойные. Учитывая изменчивость поведения высокоширотной ионосферы, проблема определения надежных значений DCBs для расчета ПЭС становится более актуальной. Для определения DCBs не удается полноценно использовать инструментальные методы. Лишь малое число приемников имеет внутреннюю систему определения дифференциальных кодовых задержек. Инструментальные задержки спутниковой аппаратуры, полученные при ее калибровке в предпусковой период, плохо согласуются с оценками, получаемыми из наблюдений в процессе эксплуатации спутниковой аппаратуры [4, 12].
Важность определения DCBs для получения надежных оценок ПЭС способствует развитию различных методов. Большинство таких методов рассматривают модели ионосферы в виде сферического бесконечно тонкого слоя в пренебрежении горизонтальными градиентами электронной концентрации и резкими изменениями ионосферы [4, 7, 9-14]. Для анализа используются различные математические методы: наименьших квадратов или сферических гармоник [12-14], фильтрации Кальмана [9], искусственной нейронной сети [15]. Часть моделей проверяет точность своих модельных расчетов, сравнивая их с прямыми ионосферными измерениями радаров, спутников или общепринятыми моделями ионосферы [16-18].
36
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
Определение полного электронного содержания по сигналам спутников ...
В зависимости от количества станций, используемых для расчета, методы можно классифицировать как глобальные, региональные или локальные.
Наиболее развитым и общеупотребительным является метод получения DCBs, используемый в настоящее время Международной службой ГНСС (International GNSS Service, IGS) [6, 19-21]. Он позволяет получать DCBs и рассчитывать ПЭС для приемников, которые входят в сеть IGS, на основе построения глобальной ионосферной карты (англ. Global Ionospheric Map, GIM) абсолютного, т.е. рассчитанного с учетом всех дифференциальных кодовых задержек, вертикального полного электронного содержания (АВПЭС) по данным около 200 станций сети IGS. Эта технология разработана в нескольких исследовательских центрах и обеспечивает построение глобальных карт АВПЭС путем интерполяции данных, получаемых на мировой сети приемников ГНСС. Для построения карт АВПЭС используют модифицированную модель одного слоя [20], подобную модели фазового экрана. В месте пересечения луча зрения на спутник с модельным слоем (ионосферная точка) на высоте 506.7 км производят перерасчет абсолютного наклонного ПЭС в ВПЭС. При этом считается, что наклонное ПЭС полностью формируется в ионосферной точке. Для удобства пользователей разработан специальный стандартный формат IONEX. Файлы такого формата содержат в цифровом виде значения АВПЭС и соответствующие им карты погрешностей вычисления АВПЭС за одни сутки по шкале мирового времени с временным разрешением 2 часа. Пространственный диапазон карт АВПЭС: от -180° до 180° по долготе и от -87.5 до 87.5° по широте. Пространственное разрешение карт задается шагом по долготе (5°) и шагом по широте (2.5°). Коррекция результатов расчета вертикального ПЭС приемника сети IGS по рассчитанной глобальной ионосферной карте автоматизирована и позволяет вычислить отклонение рассчитанного ВПЭС по данным приемника IGS от «истинной» величины ВПЭС и, таким образом, найти DCBs для этого приемника и спутника, по сигналам которого рассчитывалось вертикальное ПЭС. Несмотря на большое число используемых приемников и развитую математическую теорию обработки данных, ошибки расчета АВПЭС в узлах карты достигают 2-8 TECU.
Большое число приемников сигналов спутников ГНСС не входит в сеть IGS, поэтому при их использовании не удается воспользоваться сервисом IGS. В работе [10] предложен метод расчета DCBs для одиночных приемников GPS или региональной сети приемников GPS (не входят в систему IGS), использующий для контроля получаемых значений вертикального ПЭС глобальные ионосферные карты АВПЭС службы IGS. Модельная ионосфера в районе наблюдения описывается сферическими гармоническими функциями. По полученным при наблюдениях сигналов спутников системы GPS псевдодальностям (предварительно сглаженным) рассчитывается вертикальное ПЭС с привлечением модифицированной модели одного слоя. Используя метод наименьших квадратов, подгоняют значения рассчитанных и модельных значений вертикального ПЭС. Ввод дополнительного условия - сумма всех DCBs спутников равна нулю - позволяет разделить дифференциальные кодовые задержки приемников и спутников. В результате авторами показано, что предлагаемый метод дает значения DCBs, согласующиеся с оценками, получаемыми службой IGS. Абсолютные разности между значениями DCBs, получаемые с помощью этого метода, и значениями службы IGS не превышают 0.7 нс, а среднеквадратичное отклонение - меньше 0.4 нм при использовании данных одного приемника. Привлечение дополнительных приемников в районе наблюдения (региональная сеть) дает лучшее согласие. Авторами размещен для свободного использования пакет программ M_DCB расчета DCBs на основе предложенного метода [22]. Использование этого пакета позволяет получать значения DCBs для спутников GPS, но не дает такой возможности для спутников ГЛОНАСС.
Для проверки работоспособности пакета программ в условиях высокоширотной ионосферы были рассчитаны значения абсолютного наклонного ПЭС по исходным данным приемника TRO1 сети IGS (приемник Trimble NetR8 GNSS Reference Receiver, Тромсё, Норвегия, 69.66 с.ш.,
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
37
Е.Д. Терещенко, А.Н. Миличенко, М.В. Швец и др.
18.94 в.д.). Для расчета был выбран пролет спутника GPS G1 21 октября 2013 г. Фазы и псевдодальности, полученные приемником TRO1, взяты из открытого доступа [23].
На рис. 2 даны графики абсолютного наклонного ПЭС, рассчитанного по измерениям фазы спутника GPS G1, при учете дифференциальных кодовых задержек, предоставляемых службой IGS для приемной станции TRO1 (Isligsg1, нижняя кривая), и по методике M_DCB (Islg1, верхняя кривая). По оси абсцисс нанесено время записи сигнала спутника в UT, по оси ординат - полное электронное содержание в TECU. Сдвиг в абсолютных значениях ПЭС между этими кривыми около 1 TECU, что не превышает погрешности построения глобальных ионосферных карт GIM.
401----1-----1-----1-----1-----\-----1-----1-----!-----
■ |
35-....:...........f- ; ....♦.....і- • . . • -
ЗО
nl__________I__________I__________і__________1_________I__________і__________I__________I__________I
15:00 15:20 15:40 16:00 16:20 16:40 17:00 17:20 17:40 18:00
Время,UT
Рис. 2. Абсолютные значения наклонного ПЭС, полученные по данным приемной станции TRO1, по сигналам спутника G1 (21 октября 2013 г.)
1.3. Описание предлагаемого метода
Для исследования ионосферных процессов в высокоширотной области атмосферы наибольший интерес представляют спутники ГЛОНАСС из-за большего наклонения орбиты, чем у спутников других ГНСС. Знание точных значений дифференциальных кодовых задержек для приемников и спутников ГЛОНАСС является необходимым условием получения абсолютных значений ПЭС.
Рис. 3. Спутники ГНСС ГЛОНАСС и GPS и время их нахождения в зоне радиовидимости антенны приемника сигналов спутников ГНСС
Пространственно-временная конфигурация навигационных спутников ГЛОНАСС и GPS обеспечивает нахождение в зоне радиовидимости антенны приемника сигналов спутников ГНСС в каждый момент времени не менее четырех спутников каждой из ГНСС. Общее число спутников обеих систем, находящихся в зоне радиовидимости, как правило, около пятнадцати.
38
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
Определение полного электронного содержания по сигналам спутников ...
На рис. 3 представлены спутники, находящиеся в зоне радиовидимости антенны приемника сигналов спутников ГНСС, расположенной на здании ПГИ КНЦ РАН в г. Мурманск (2 декабря 2014 г.). На оси ординат буквой R обозначены спутники ГЛОНАСС (верхняя часть рис. 3), буквой G - спутники GPS (нижняя часть рис. 3). На оси абсцисс - время в UTC. Линии показывают время и продолжительность нахождения спутника в зоне радиовидимости антенны приемника.
На рис. 4 указаны траектории пролетов спутников ГНСС ГЛОНАСС и GPS на небесной сфере за 2 декабря 2014 г. Положение спутника определяется в координатах азимут/угол места. Пункт наблюдения находится в центре (буква О, в нашем случае это здание ПГИ КНЦ РАН, г. Мурманск, 68° 56' 53" с.ш., 33° 03' 48" в.д.). Азимут отсчитывается от направления север (буква N вверху рисунка) по часовой стрелке (восток (Е) равен 90°, юг (S) - 180°, запад (W) -270°). Окружности на рисунке указывают величину угла места относительно пункта наблюдения O. Ближайшая окружность к пункту наблюдения означает угол места 80°, следующая - 60°, затем 40° и 20°. Сплошная линия - траектория спутников на небесной сфере. Номер спутника и его принадлежность к ГНСС обозначена на рис. 4 в начале его траектории: R - спутник ГЛОНАСС, G - спутник GPS, цифры - номер спутника. Цифры в кружочках - время пролета спутника. Стрелка указывает место пересечения (направление А) траекторий спутника ГЛОНАСС (R12) и спутника GPS (G23).
Рис. 4. Положение спутников ГНСС ГЛОНАСС и GPS на небесной сфере
Анализ пролетов спутников в зоне радиовидимости антенны показал, что для пролета спутника ГЛОНАСС всегда найдется несколько спутников GPS, которые пересекут его траекторию. Таким образом, всегда найдутся такие азимут и угол места пересечения, когда спутники будут видны из места наблюдения в одном направлении (направление А, рис. 4). В этом направлении А полное электронное содержание, полученное по данным спутника ГЛОНАСС и спутника GPS, должны быть близки по величине. Как правило, время пересечения общей точки А спутниками не совпадает. Поэтому анализируется временной период несовпадения и, если за этот период несовпадения ионосфера существенно не изменилась, предполагается, что ПЭС, полученное по данным спутников ГЛОНАСС и GPS, в общем направлении А одинаково.
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
39
Е.Д. Терещенко, А.Н. Миличенко, М.В. Швец и др.
Как уже отмечалось, орбиты спутников ГЛОНАСС и GPS имеют разные высоты - 19 100 и 20 200 км соответственно. Расчеты ПЭС по данным спутников GPS при равных условиях должны давать значения ПЭС большие, чем спутники ГЛОНАСС, из-за большей длины интегрирования электронной концентрации вдоль линии зрения на спутник из одного и того же пункта наблюдения (высота спутника GPS больше на 1100 км, при наклонном положении длина интегрирования увеличивается). Оценки вклада в ПЭС этой дополнительной длины интегрирования по глобальной численной модели верхней атмосферы Земли UAM [24] показали, что при различных условиях дополнительный вклад не превышает 1 % от ПЭС. Поэтому при дальнейших расчетах вкладом этой составляющей можно пренебречь.
При определении абсолютных значений ПЭС по фазовым измерениям ГЛОНАСС изначально рассчитываются дифференциальные кодовые задержки для спутника GPS и находятся абсолютные значения ПЭС по псевдодальностям по формуле (3). Затем по формуле (6) рассчитывается сдвиг ПЭС, полученного по фазовым измерениям GPS, и таким образом определяется абсолютное ПЭС по фазовым измерениям ISLG по формуле (5). Отсюда можно определить поправку для расчета ПЭС по фазовым данным спутника ГЛОНАСС в направлении А:
IsLGA - IsLcRA = AIslA, (8)
где IslGA - абсолютное ПЭС по фазовым данным спутника GPS, рассчитанное для направления А, ISLcRA - значения ПЭС по фазовым данным спутника ГЛОНАСС, с неучтенными поправками, в направлении А, AIsla - поправка ПЭС для расчета абсолютного ПЭС по фазовым данным ГЛОНАСС в направлении А.
Эта поправка AIslA одинакова для всех значений ПЭС по фазовым измерениям ГЛОНАСС. Тогда значения абсолютного ПЭС по фазовым измерениям ГЛОНАСС можно найти по формуле:
ISLR = ISLcR + Aisla (9)
2. Результаты и обсуждение
2.1. Эксперимент
В качестве примера использования предлагаемого метода приведем результаты расчетов полного электронного содержания по сигналам спутников ГЛОНАСС.
21 октября 2013 г. в обсерватории Европейской научной ассоциации по некогерентному рассеянию радиоволн (ЕИСКАТ) вблизи г. Тромсё (69.6° с.ш., 19.2° в.д.) сотрудниками 111 И КНЦ РАН проводилась регистрация сигналов спутников ГНСС на двухчастотный приемник JAVAD Maxor-GGDT. Для обработки полученных данных были выбраны записи сигналов спутников ГЛОНАСС (R24) и GPS (G1) (рис. 5). На рис. 5 показаны координаты ионосферных точек для спутников R24 и G1 в географических координатах. Цифрами у линий обозначено время пролета в UT. Положение приемника сигналов спутников ГНСС обозначено буквой O. Место пересечения линий ионосферных точек спутников обозначено буквой А. В направлении этого пересечения линия зрения от приемника на спутник имеет одинаковый азимут и угол места для обоих спутников. Разница во времени прохождения общего направления равна 5 мин (спутник R24 - в 15:12 UT, а спутник G1 - в 15:17 UT). Геомагнитная обстановка в этот день была спокойной, ионосферные параметры, по данным дайнозонда ЕИСКАТ, оставались постоянными. Поэтому можно считать, что в направлении А полное электронное содержание, полученное по данным обоих спутников, было одно и то же.
Из полученных данных спутников R24 и G1 были рассчитаны исходные значения ПЭС без учета дифференциальных кодовых задержек по формулам (1) и (2). На рис. 6 они обозначены: для спутника R24 как ISLcR24 (фазовые измерения), для спутника G1 как ISLcG1 (фазовые измерения), ISPbG1 (кодовые измерения по псевдодальностям). Затем для спутника G1 по методу M_DCB были определены значения дифференциальных кодовых задержек для спутника bsG1 и для приемника brG1. По найденным DCBs по сигналам спутника G1 было получено абсолютное ПЭС для псевдодальностей (формулы (3 и 4), а по формулам (5 и 6) рассчитано абсолютное ПЭС по фазовым измерениям IsLG1. На рис. 6 в центре штриховой линией показано скорректированные
40
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
Определение полного электронного содержания по сигналам спутников ...
(абсолютные) значения ПЭС Islg1 для спутника G1. Чтобы не загружать рис. 6, на нем не нанесено новое положение ПЭС для псевдодальностей с учетом DCBs, оно совпадает с положением Islg1 (см. также рис. 1). Затем находится разность AIsla между абсолютным значением ПЭС по фазовым измерениям Islg1a спутника G1 и значением ПЭС по фазовым данным спутника R24 ISLaR24A в направлении А (формула (8)). Учет этой поправки дает возможность получать абсолютные значения ПЭС по фазовым измерениям ГЛОНАСС ISLR24 (кривая в центре рис. 6).
Рис. 5. Координаты ионосферных точек для спутников R24 и G1
Рис. 6. Исходные и абсолютные значения наклонного ПЭС по сигналам спутников R24 и G1 для приемного пункта в обсерватории ЕИСКАТ (Тромсё)
Таким образом, предложенный метод позволяет оперативно получать оценки абсолютного полного электронного содержания по сигналам спутников ГЛОНАСС.
2.2. Сравнение экспериментальных данных с данными модели UAM и карты GIM
Для 21 октября 2013 г. были рассчитаны значения абсолютного вертикального ПЭС по сигналам спутника ГЛОНАСС R24 и спутника GPS G1, поскольку глобальные ионосферные карты GIM дают значения АВПЭС. Эти рассчитанные вертикальные ПЭС сравнивались
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
41
Е.Д. Терещенко, А.Н. Миличенко, М.В. Швец и др.
со значениями вертикального ПЭС, полученными из модели UAM, и с данными ионосферной карты GIM.
Модель UAM рассчитывает параметры ионосферы путем численного интегрирования нестационарных трехмерных уравнений с определенным временным шагом в пространственной сетке с переменным шагом по широте (от 1° - в авроральной области до 5° - на экваторе), по долготе - 10° и переменным шагом по высоте (от 3 км на нижней границе вблизи высоты 80 км и до 20 км в области максимума Б2-слоя) в диапазоне высот от 80 км до 15 радиусов Земли. Для расчета ПЭС вдоль выбранного направления для конкретного момента времени рассчитывались значения электронной плотности Ne в узлах пространственной сетки модели. Затем определялись точки пересечения луча вдоль выбранного направления с высотами, на которых находились узлы пространственной сетки модели. Для найденных точек путем интерполяции получали значения Ne. После этого вдоль луча рассчитывалось наклонное ПЭС из модельных значений Ne. Затем наклонное ПЭС переводилось в вертикальное ПЭС. Данные абсолютного ВПЭС для карты GIM взяты из файла IONEX. Значение для точки пересечения А получали путем временной и пространственной интерполяции значений АВПЭС в узлах карты GIM.
На рис. 7 приведены значения вертикального ПЭС для выбранного дня. Линиями показаны значения абсолютных вертикальных ПЭС по сигналам спутника R24 (нижняя кривая) и спутника G1 (верхняя кривая). Буквой А обозначено время прохождения спутником общего направления А, квадратом - значение вертикального ПЭС по модели UAM для спутника R24, кружком - для спутника G1, звездочкой - значение АВПЭС, полученное из глобальной ионосферной карты GIM. Расчет проводился для времени, когда линия зрения на спутник была вдоль направления А (R24 - 15:12 UT, G1 - 15:17 UT).
20
19
18
17
Z)
fr! 16
о15
о
С 14
со
<
13
-—- А -■Ц. Ъ'-'- 'lap1 і u J1TJMX2J ° А 1 \OKil * А СІМ
^ І : ****S%*H
; А /ЯЛ :
: і """\
1 І і і
00
15:10
15:20 15:30 15:40
Время?иТ
15:50
16:00
Рис. 7. Абсолютное вертикальное ПЭС, полученное по сигналам спутников ГЛОНАСС и GPS, по расчетами модели UAM и данным глобальной ионосферной карты GIM
Из рис. 7 видно, что абсолютное вертикальное ПЭС, полученное по сигналам спутников ГЛОНАСС и GPS, близко по величине к модельным значениям UAM и данным глобальной ионосферной карты GIM.
Заключение
Предложен метод оперативного расчета полного электронного содержания по сигналам спутников ГЛОНАСС. Полученные результаты показывают высокую эффективность применения данного метода.
42
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
Определение полного электронного содержания по сигналам спутников ...
Благодарности
Авторы выражают благодарность авторам метода M_DCB за предоставление пакета M_DCB, службе International GNSS Service за возможность использовать данные станции TRO1 (Тромсё, Норвегия) и Европейской научной ассоциации по некогерентному рассеянию радиоволн за возможность проведения наблюдений сигналов ГНСС в обсерватории ЕИСКАТ (Тромсё).
ЛИТЕРАТУРА
I. ГЛОНАСС: принципы построения и функционирования / под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. 3-е изд.,
перераб. М.: Радиотехника, 2005. 688 с. 2. GPS. Interface specification IS-GPS-200. URL:
http://www.gps.gov/technical/icwg/ (дата обращения: 23.12.2014). 3. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск: ГУ НЦ РВХ вСнЦ рАмН, 2006. 480 с. 4. Sardon E., Zarraoa N. Estimation of total electron content using GPS data: How stable are the differential satellite and receiver instrumental biases? // Radio Sci. 1997. Vol. 32, № 5. P. 1899-1910. 5. Choi B.K., Cho J., Lee S. Estimation and analysis of GPS receiver differential code biases using KGN in Korean Peninsula // Adv. Space Res. 2011. Vol. 47. P. 1590-1599.
6. International GNSS service. URL: ftp://igs.org/pub/data/format/rinex302.pdf (дата обращения: 23.12.2014).
7. Zhao B., Wan W., Liu L., Ren B. Characteristics of the ionospheric total electron content of the equatorial ionization anomaly in the Asian-Australian region during 1996-2004 // Ann. Geophys. 2009. Vol. 27. P. 3861-3873. 8. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. М.: Мир, 1981. Т. 2. 280 с. 9. Sardon E., Ruis A., Zarraoa N. Estimation of the transmitter and receiver biases and ionospheric total electron content from Global Positioning System observations // Radio Sci. 1994. Vol. 29, N 3. P. 577-586. 10. Jin R., Jin S., Feng G. M_DCB: Matlab code for estimating GNSS satellite and receiver differential code biases // GPS Solut. 2012. Vol. 16, № 4. P. 541-548.
II. Zhang W, Zhang D.H., Xiao Z. The influence of geomagnetic storms on the estimation of GPS instrumental biases // Ann. Geophys. 2009. Vol. 27. P. 1613-1623. 12. Coco D.C., Coker C., Dahlke S.R., Clynch J.R. Variability of GPS satellite differential group delay biases // IEEE T. Aero. Elec. Sys. 1991. Vol. 27. P. 931-938. 13. Шагимуратов И.И., Черняк Ю.В., Захаренкова И.Е., Якимова Г.А. Использование карт полного электронного содержания для анализа пространственно-временной структуры ионосферы // Журн. физической химии. 2013. Т. 32, № 11. С. 82-87. 14. Ma G., Maruyama T. Derivation of TEC and estimation of instrumental biases from GEONET in Japan // Ann. Geophys. 2003. Vol. 21. P. 2083-2093. 15. Ma X., Maruyama T., Ma G., Takeda T. Determination of GPS receiver differential biases by neural network parameter estimation method // Radio Sci. 2005. Vol. 40, № 1: RS1002. doi:10.1029/2004 RS003072. 16. Lanyi G.E., Roth T. A comparison of mapped and measured total ionospheric electron content using Global Positioning System and beacon satellite observations // Radio Sci. 1988. Vol. 23. P. 483-492. 17. Ho C.M., Wilson B.D., Mannucci A.J., Lindqwister U.J., Yuan D.N. A comparative study of ionospheric total electron content measurements using global ionospheric maps of GPS, TOREX radar, and Bent model // Radio Sci. 1997. Vol. 32. P. 1499-1521. 18. Jakowski N., Sardon E., Engler E., Jungstand A., Klahn D. Relationships between GPS-signal propagation errors and EISCAT observations // Ann. Geophys. 1996. Vol. 14. P. 1429-1436. 19. Global Ionosphere Maps Produced by CODE. URL: http://aiuws.unibe.ch/ionosphere/, ftp://cddis.nasa.gov/pub/gps/products/ionex/ (дата обращения 23.12.2014 г.). 20. Schaer S., Gurtner W., Feltens J. IONEX: The Ionosphere Map EXchange Format Version 1 // Proc. the 1998 IGS Analysis Centres Workshop, ESOC. 1998. P. 233-247. 21. A global mapping technique for GPS-derived ionospheric total electron content measurements / A.J. Mannucci et al. // Radio Sci. 1998. Vol. 33. P. 565-582. 22. M_DCB: Matlab code for estimating GNSS satellite and receiver differential code biases - by Rui Jin, Shuanggen Jin, and Guiping Feng. URL: http://www.ngs.noaa.gov/gps-toolbox/m_dcb.htm (дата обращения: 23.12.2014). 23. IGS Station: tro1. URL: http://igscb.jpl.nasa.gov/network/site/tro1.html (дата обращения: 23.12.2014). 24. Namgaladze A.A., Martynenko O.V., Namgaladze A.N. Global model of the upper atmosphere with variable latitudinal integration step // Geomag. and Aeronomy Intern. 1998. Vol. 1, № 1. P. 53-58.
Сведения об авторах
Терещенко Евгений Дмитриевич - д.ф.-м.н., директор Полярного геофизического института КНЦ РАН; e-mail: general@pgi.ru
Миличенко Александр Николаевич - зам. директора по общим вопросам Полярного геофизического института КНЦ РАН; e-mail: alexander@pgi.ru
Швец Михаил Васильевич - старший инженер Полярного геофизического института КНЦ РАН; e-mail: shvec@pgi.ru
Черняков Сергей Михайлович - научный сотрудник Полярного геофизического института КНЦ РАН; e-mail: sergeich@pgi.ru
Кораблева Ирина - младший научный сотрудник Полярного геофизического института КНЦ РАН; e-mail: irinakorab@pgi.ru
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
43
