Использование информационных ресурсов глобальных навигационных спутниковых систем для мониторинга ионосферы Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Скрипачев В.О.1, Яковлев О.В.2

1 НТЦ «Космонит» ОАО «Российские космические системы», заместитель начальника

отдела, skrip atchevv@ inbox. ru 2 ВЦ им. А.А. Дородницына, с.н.с.

Использование информационных ресурсов глобальных навигационных спутниковых систем для мониторинга

ионосферы

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

Ионосфера, глобальная навигационная спутниковая система, навигационный космический аппарат, формат RINEX, полное электронное содержание.

АННОТАЦИЯ:

Рассмотрены возможности глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) GPS/ГЛОНАСС как информационных ресурсов для мониторинга состояния ионосферы. Характеристики принятых сигналов ГНСС записываются в бинарные файлы, либо в файлы формата RINEX, и позволяют оценить полное электронное содержание в ионосфере. Рассмотрены программные средства, использованные при разработке программного комплекса мониторинга ионосферы.

Введение

Информационные ресурсы о состоянии ионосферы, полученные путем обработки данных, принимаемых с навигационных космических аппаратов (НКА), широко используются при проведении научных исследований.

Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) изначально были предназначены для решения прикладных задач определенного узкого круга [1, 2]. Вместе с тем, область применения ГНСС оказалась намного шире, что объясняется тем, что ГНСС обладают мощным информационным ресурсом, обусловленным использованием как орбитального, так и наземного сегментов [1]. В наземный сегмент входят средства управления НКА и навигационная аппаратура потребителей (НАП).

Учитывая, что доступ к ресурсам НАП в большинстве случаев свободный, их использование в научных и учебных целях не вызывает затруднений ни в организационном, ни в техническом отношении. Например, сбор данных, необходимых для исследования ионосферы может осуществляться путем взаимодействия с серверами различных геодезических сетей, например, International GNSS Service (http://igscb.jpl.nasa.gov), предоставляющая данные, содержащие

характеристики сигналов GPS/ГЛОНАСС (Рис. 1).

Рис. 1. Сеть приемников, входящих в IGS

Описание методики исследования ионосферы сигналами ГНСС

Общеизвестно влияние физических свойств ионосферы, особенно слоя F2 на высотах 250-400 км, на характеристики сигналов НКА (затухание уровня сигналов, задержка времени распространения и др.). Наибольшая ионосферная задержка наблюдается вблизи широтных зон с наибольшей флуктуацией электронной концентрации ионосферы, расположенных вблизи магнитного экватора (± 20 градусов) и магнитных полюсов.

В этих зонах максимум электронной плотности проявляется около 2 LT, понижение электронной плотности в ночное время определяется отсутствием солнечного излучения и рекомбинацией свободных электронов и ионов. Скорость распространения радиоволны в ионосфере зависит от ее параметра - полное электронное содержание TEC (Total electron contentration):

где ne(s) - переменная электронная плотность вдоль пути распространения

сигнала. Интегрирование производится вдоль пути сигнала от спутника S к приемнику P.

На Рис. 2 приведена схема мониторинга ионосферы с помощью наземного приемника сигналов ГНСС GPS/ГЛОНАСС. Как видно из Рис. 2, чем ближе НКА к зениту, тем меньше длина пути через ионосферу. Следовательно, TEC имеет наименьшее значение в вертикальном направлении (Vertical TEC).

Таким образом, концентрация электронов зависит от угла возвышения НКА, географического положения приемника, времени суток, года и активности Солнца.

Данные, регистрируемые навигационными приемниками ГНСС, могут записываться как в собственных бинарных форматах, характерных для каждой компании-разработчика приемников ГНСС, так и в формате RINEX (Receiver Independent Exchange Format) - в стандарте, разработанном Астрономическим институтом Бернского университета, позволяющим хранить и передавать промежуточные измерения произведенные приемником, а также проводить постобработку полученных данных различными приложениями.

НЧА'ЛОНЮС

HKir/IJHitC

WUWHHC

Рис. 2. Схема мониторинга ионосферы с помощью ГНСС

Формат спроектирован так, чтобы его можно было адаптировать под новые типы измеряемых данных и новые ГНСС.

Стандарт формата RINEX описывает шесть типов файлов:

- файл с данными наблюдений приемника - RINEX Observation Data File (RINEX OBS);

- файл навигационного сообщения - RINEX Navigation Message File (RINEX NAV);

- файл с метеорологическими данными - RINEX Meteorological Data File (RINEX MET);

- файл навигационного сообщения ГЛОНАСС - RINEX GLONASS Navigation Message File (RINEX GLO);

- файл навигационного сообщения геостационарных КА - RINEX GEO Navigation Message File (RINEX GEO);

- файл с показаниями часов низкоорбитальных КА и приемника -RINEX Satellite and Receiver Clock Data File.

В настоящее время наиболее распространена версия 2.11, в которой содержатся данные о псевдодальности, фазе несущей и доплеровском сдвиге частот для ГНСС GPS и ГЛОНАСС.

Программное обеспечение обработки характеристик сигналов

ГНСС

В НТЦ «Космонит» разработано многофункциональное программное обеспечение обработки характеристик сигналов ГНСС GPS/ГЛОНАСС. Программное обеспечение (в основном) предназначено для:

- преобразования формата RINEX в бинарный;

- расчета траектории движения НКА;

- выделения отдельных характеристик сигналов по каждому НКА;

- расчета TEC;

- визуализации данных.

Основой программного обеспечения является библиотека GPS Toolkit (http://www.gpstk.org), представляющая собой набор классов, базирующихся на стандарте ISO C++ для работы с данными ГНСС GPS/ГЛОНАСС, что позволяет использовать ее на разных платформах. Классы построены по модульному принципу с расширением их возможностей за счет широкого применения концепций объектно-ориентированного программирования.

Набор классов GPSTk, а также вспомогательных утилит и приложений, обеспечивает широкий спектр готовых решений для задач, связанных с ГНСС, в том числе обработку и использование данных в стандартных форматах, таких как RINEX или SP3 [3].

Учитывая особенность ГНСС ГЛОНАСС, где в отличие от GPS требуется знание частотного поддиапазона каждого НКА [4, 5], использовалась программная библиотека TinyXML

(http : //www.grinninglizard.com / tinyxml / index.html).

Описание используемых частотных поддиапазонов НКА ГЛОНАСС оформлено в виде XML документа, фрагмент которого приведен на Рис. 3.

<?*ml versions"1.0' encoding=*UTF-8"?5 <document>

<glvnjH> £pm»

<prn2 >-4</prri2>

iprn3>5</prn3i

<prn5>l</prn5>

<proe> 1 </prn6>

<: prri7 > 5 ¿/prn

<ргп8>6</ргл8>

<prn9>-2</prn9>

</pms>

</дкммм> </docurnent>

Рис. 3. Фрагмент XML документа, описывающего частотные поддиапазоны ГНСС

ГЛОНАСС

Применение библиотеки TinyXML позволило преобразовать данные, хранимые в XML файле в объекты С++ и в последующем манипулировать ими в программном коде.

Для визуализации как исходных, так и рассчитанных данных, а также построения графического интерфейса (GUI) была использована кроссплатформенная библиотека Qt [6, 7].

С использованием средств библиотеки Qt визуализируются подспутниковые траектории НКА, измеренные характеристики сигналов ГНСС и рассчитанные значения TEC. Пример одновременной визуализации движения GPS №6, 11 и ГЛОНАСС №1 20 августа 2013 с 18-19 часов приведен на Рис. 4. При этом используется цветовая градация: более темный цвет соответствует раннему времени.

Таким образом в статье рассмотрены некоторые особенности разработанного программного обеспечения диагностики состояния

ионосферы по характеристикам сигналов ГНСС GPS/ГЛОНАСС, которые, являются важным информационным ресурсом при диагностики состояния ионосферы.

Рис. 4. Пример визуализации движения GPS №6,11 и ГЛОНАСС№1 20.08.13 с 18-19 часов

Литература

1. Применения GPS/ГЛОНАСС: Учебное пособие / М.Р. Богданов - Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2012. - 136с.

2. Guochang Xu. GPS: Theory, Algorithms and Applications. Springer; 2nd edition, 2007, 340p.

3. Brian Tolman, R. Benjamin Harris, Tom Gaussiran, David Munton, Jon Little, Richard Mach, Scot Nelsen, Brent Renfro, ARL:UT; David Schlossberg, University of California Berkeley. "The GPS Toolkit -- Open Source GPS Software." Proceedings of the 17th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS 2004). Long Beach, California. September 2004.

4. Интерфейсный контрольный документ GPS. ICD-GPS-200C. (http://www.navcen.uscg.gov/pubs/gps/icd200/icd200cw1234.pdf).

5. ГЛОНАСС: интерфейсный контрольный документ (редакция 5.1). (http://rniikp.ru/ru/pages/about/publ/ICD_GLONASS_rus.pdf).

6. Бланшет Ж., Саммерфилд М. Qt 4: Программирование GUI на C++. — М.: «КУДИЦ-ПРЕСС», 2007. — 648c.

7. Саммерфилд М. Qt. Профессиональное программирование. Разработка кроссплатформенных приложений на С++. — СПб.: «Символ-Плюс», 2011. — 560c.