CC BY
28Визуализация пространственно-временного распределения интенсивности вариаций ПЭС по данным фазовых измерений сигналов GPS.
Афраймович Э.Л. ([email protected]), Астафьева Э.И., Гамаюнов И.Ф.
Институт солнечно-земной физики СО РАН 1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время активно развиваются спутниковые методы оптического мониторинга процессов в верхней атмосфере с высоким пространственным разрешением, что позволяет «визуализировать» некоторые геофизические процессы (особенно в авроральной области). Аналогичная технология глобального мониторинга ионосферных неоднородностей (ИН), несмотря на многочисленные экспериментальные исследования, до сих пор не создана. Основным препятствием в создании карт пространственно-временного распределения интенсивности неоднородной структуры ионосферы с помощью известных ранее методов является отсутствие глобальных непрерывных одновременных измерений с высоким пространственно-временным разрешением.
В ряде работ [3, 9] сообщалось, что на средних широтах во время больших магнитных бурь относительная плотность сбоев дальномерных измерений, в частности, измерений разности фаз L1-L2 на двух когерентно-связанных частотах GPS /1=1575.42 МГц и f2=1227.60 МГц превышает соответствующий показатель для магнитоспокойных дней на один-два порядка, достигая единиц процентов от общей плотности наблюдений. Одновременно с этим существенно ухудшается точность позиционирования, являющаяся основным показателем качества функционирования системы GPS [10]. В работах [3, 5, 1011, 13, 14, 15] было показано, что причиной фазовых сбоев является рассеяние сигнала GPS на ионосферных неоднородностях с характерным размером порядка первой зоны Френеля (150-300 м). В результате амплитуда сигнала может на некоторое время уменьшиться до величины ниже уровня шумов, что приводит к срыву сопровождения сигнала и сбоям дальномерных измерений.
В работах [5, 6] было показано, что ионосферные неоднородности, вызывающие рассеяние сигналов GPS, образуются во время главной фазы магнитной бури в пределах аврорального овала, а также в областях с повышенным градиентом электронной концентрации вдали от овала. Кроме того, области с интенсивными мелкомасштабными неоднородностями могут перемещаться в пространстве вслед за крупномасштабными волновыми возмущениями большой амплитуды, которые образуются в авроральной зоне и перемещаются в экваториальном направлении на большие расстояния [6]. Таким образом, актуальной является задача визуализации пространственно-временного распределения интенсивности ионосферных неоднородностей и плотности сбоев дальномерных измерений в системе GPS.
Разработанный авторами метод визуализации пространственного распределения (картирования) неоднородной структуры ионосферы демонстрируется на примере
изменения интенсивности вариаций полного электронного содержания (ПЭС) и плотности сбоев фазовых измерений в системе GPS во время магнитной бури 29-31 октября 2003 г.
В основе метода лежит представление о том, что спектр вариаций ПЭС, измеренный по разности фаз сигналов двух частот GPS, носит степенной характер и отличается от спектра неоднородностей электронной концентрации только наклоном спектра [2, 7]. Это позволяет оценивать изменение интенсивности неоднородностей с размером 100-1000 м по изменениям интенсивности вариаций ПЭС в диапазоне промежуточных масштабов (более 10-100 км, периоды от 1 до 10 мин), т.е. со стороны длинноволновой части спектра [4]. Во время геомагнитного возмущения пропорционально возрастает амплитуда неоднородностей всего диапазона масштабов - от метровых до километровых и более [2], а также амплитуда вариаций ПЭС, при этом наклон спектров ионосферных неоднородностей и вариаций ПЭС остается постоянными.
2. ГЛОБАЛЬНАЯ СЕТЬ ПРИЕМНИКОВ GPS. ФОРМИРОВАНИЕ ОПОРНОЙ СЕТКИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ.
Глобальная сеть GPS, насчитывающая к середине 2004 г. более 2500 станций GPS, плотно покрывает Северную Америку и Европу. Много меньше станций GPS в азиатском и африканском регионах, в Тихом и Атлантическом океанах. Однако такое заполнение земной поверхности позволяет решать задачу глобального детектирования возмущений с существенно более высоким пространственно-временным разрешением по сравнению с известными ранее методами.
Широта, B Д[
N
i
ДВ
т
m
M
Долгота, L
Рис. 1. Опорная сетка пространственного распределения.
n
1
1
В данной работе для получения пространственно-временного распределения интенсивности вариаций ПЭС использовались данные глобальной сети приемников GPS,
расположенных на территории Северной Америки (20°-60°с. ш., 60°-140° з. д.). Заданный регион разбивается на равные участки (клетки) по широте AB и по долготе AL. На рис. 1 чёрным квадратом обозначена (m, п)-клетка, где m = 1, 2, M; n = 1, 2, N; M и N -количество столбцов и строк опорной сетки соответственно. Максимальные значения широты и долготы региона равны Lm = MAL; Bn = NAB.
3. ОЦЕНКА АМПЛИТУДЫ ВАРИАЦИЙ ПОЛНОГО ЭЛЕКТРОННОГО
СОДЕРЖАНИЯ A И ПЛОТНОСТИ ФАЗОВЫХ СБОЕВ GPS P.
Методика первичной обработки данных подробно описана в работах [3, 9] и в данной работе не рассматривается. Разработанный в ИСЗФ СО РАН программный комплекс GLOBDET [8] позволяет для каждого ряда данных длительностью около 2.3 часа получить оценку относительной плотности сбоев P измерений разности фаз L1-L2, а также отобрать ряды данных ПЭС I(t), которые не содержат срывы фазы. Сбои измерения разности фаз L1-L2 фиксируются в том случае, если модуль приращения ПЭС за интервал времени 30 с (стандартный для основного объема представляемых в сети Интернет данных GPS) превышает заданный порог порядка, например, 100-200 TECU (TECU=1016 эл/м-2). Для заданной /-приемной станции GPS и каждого наблюдаемого j-ИСЗ значение Pj определяется как отношение количества сбоев фазы к общему количеству наблюдений.
Ряды I(t), не содержащие срывов разности фаз L1-L2 и пропусков отсчетов, используются для оценок значений Aj и Cj, равных СКО вариаций ПЭС dI(t) в диапазоне периодов 20-60 мин и 1-10 мин, соответственно, для тех же станций и интервалов времени, что и для оценок Pj. Вариации с такими периодами соответствуют ионосферным неоднородностям среднего (100-300 км) и километрового (1-10 км) масштабов [2].
4. НОРМИРОВКА И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ПЛОТНОСТИ СБОЕВ ФАЗОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ И
ИНТЕНСИВНОСТИ ВАРИАЦИЙ ПЭС.
Необходимость пространственного усреднения значений плотности сбоев фазовых измерений P и СКО вариаций ПЭС A и C обусловлена неравномерностью расположения приёмных станций GPS на земной поверхности. Для всех станций, расположенных в каждой (m, п)-клетке опорной сетки пространственного распределения (рис.1), вычисляются средние значения плотности сбоев фазовых измерений P и интенсивности вариаций ПЭС A и C. Таким образом, с использованием опорной сетки формируются пространственно-временные распределения плотности сбоев фазовых измерений P(L, B) и интенсивности вариаций ПЭС A(L, B) и C(L, B).
На рис. 2, 3 представлены карты североамериканского региона, размеры чёрных квадратов S на которых пропорциональны СКО вариаций ПЭС S = kP, либо плотности фазовых сбоев S = kA, где к - коэффициент нормировки, равный обратной величине максимального значения СКО вариаций dI(t), либо максимального значения плотности сбоев P.
302 день 13-20.3 час Longitude,E
a
......и •
т^гг^ггфффф::
......■■ ;............................
■ ■ ■
■!■■■■!—;/•••;—; —;—;— ■ ■ ■ -¡¡r' ■ 4''■ ■ ■ ■
-■---■ — 1 ■ V 1 —1 —1 —1 —
...............
.
i' — .....^
■ ■ 1 ■ ■ ■ fr- Г--Г-.
220 225 230 235 240 245 250 255
270 275 280 285 290 295 300
a
Latitude,N 302 день 19-21.3 час Longitude,E
220 225 230 235 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300
..... 110.2003 1S :53UT
...............
rj ......N................ .....■......••;••••;••••
i 30/Ю2Ш tir'i UT " "iK,"
['"',......,---,--.'-г- ■"■■г-.--:— ф+ "гГ
,.Я. , . . . .
:■ ■ uJiSi.............. .........:■■:■:::
; ; ;;;
.......■■ ■
....... ■
220 225 230 235 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300
Latitude,N 302 день 19-21.3 час Longitude,E
220 225 230 235 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300
b
9.10.2003 19:53 UT -
-y
■ л, •• • .......... ■ • •.......«7
. 4 ■ mm ..............
f 30 10.2Q03 M :И UT*"", 'jfc -riii^b
:::.:.. ......... ..............«...........
..... ■ .............
..... \ —' ■ \...... / ..........
............:::::.':
........ ........................ Чч........ ■
220 225 230 235 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300
b
Latitude,N 302 день 20-22.3 час Long!tude,E
220 225 230 235 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300
| 1..............
я
V ■ ..........
w ...... — ::::
S L...
.... ......... ..... [-1-- ÖiiD.2 0Ю ■■ч 2Ü 4 Ш
..... )::■„ i
: V::: * •■- - ■ Щ
■.Vi' ■ ■ ■
1 и
220 225 230 235 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300
С
С
Рис.2. Пространственное
распределение интенсивности вариаций ПЭС C(L, B).
Рис.3. Пространственное
распределение плотности
фазовых сбоев P(L, B).
На рис.2 для временных интервалов 18-20.3 UT (a); 19-21.3 UT (b); 20-22.3 UT (c) 29 октября 2003 г. представлены карты пространственного распределения СКО вариаций ПЭС C(L, B) с шагом по широте AB и по долготе AL, равным одному градусу, в диапазоне периодов 1-10 минут. Размер чёрного квадрата в правом нижнем углу соответствует максимальной величине СКО dI(t), равной 1 TECU. На картах отмечено положение южной
границы аврорального овала для этих интервалов времени. Распределение C(L, B) соответствует распределению интенсивности ионосферных неоднородностей, вызывающих деградацию сигналов GPS. На рис.2 можно увидеть возникновение интенсивных мелкомасштабных структур на северо-востоке США и их распространение на юго-запад с возрастающей интенсивностью, причём возникновение и увеличение интенсивности ИН не всегда обусловлено авроральными эффектами. Так, на рис.2 видно достаточно обширную область с ИН на 30-40° с.ш.
На рис.3 для того же региона и тех же интервалов времени представлены карты пространственного распределения плотности фазовых сбоев P(L, B). Размер чёрного квадрата в правом нижнем углу соответствует максимальной величине плотности сбоев фазовых измерений, равной 40%.
Из рис. 2 и 3 видно, что пространственно-временные распределения СКО вариаций ПЭС и плотности фазовых сбоев хорошо коррелированы, что согласуется с полученными ранее результатами и предоставляет новые возможности для изучения динамики развития неоднородной структуры ионосферы и динамики показателей эффективности функционирования GPS во время геомагнитных возмущений.
Описанный выше метод картирования может быть использован для визуализации пространственно-временных распределений любых характеристик ионосферной структуры, получаемых путем обработки данных глобальной сети приемников GPS, а также российской системы ГЛОНАСС и европейской GALILEO.
Эта работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 00-05-72026, 03-05-64100 и 03-05-64627), а также гранта N НШ-272.2003.5 государственной поддержки ведущих научных школ Российской Федерации. Авторы выражают благодарность А.П. Потехину, А.В. Медведеву, В.В Евстафьеву и Ю.В. Липко А.И. за интерес к работе и плодотворные дискуссии, Dave Evans (the NOAA/POES Space Environment Monitor data) за данные спутников NOAA POES, а также сотрудникам Scripps Orbit and Permanent Array Center (SOPAC) за первичные данные глобальной сети наземных двухчастотных приемников GPS, предоставленные в сети Интернет.
Список литературы
1. Ааронс Дж. Глобальная морфология ионосферных мерцаний. // ТИИЭР. 1982. Т. 70. №4. C. 45-65.
2. Афраймович Э.Л., Косогоров Е.А., Лесюта O.C., Ушаков И.И. Спектр перемещающихся ионосферных возмущений по данным глобальной сети GPS. // Изв. Вузов. Радиофизика. 2001. Т. XLIV. N 10. С. 828-839.
3. Афраймович Э.Л., О.С. Лесюта, И.И. Ушаков. Геомагнитные возмущения и функционирование навигационной системы GPS. // Геомагн. и аэроном. 2002. Т.42. N2. C.220-227.
4. Афраймович Э.Л., Башкуев Ю.Б., Бернгардт О.И., Гацуцев А.В., Дембелов М.Г., Шпынев Б.Г., Кобзарь В.А., Кушнарев Д.С., Мусин В.Ю., Пушкин П.Ю., Перевалова Н.П. Детектирование перемещающихся ионосферных возмущений по данным одновременных измерений электронной концентрации, полного
электронного содержания и доплеровского смещения частоты на радиофизическом комплексе ИСЗФ. // Геомагнетизм и аэрономия. 2004, т.44, N4, с. 463-475.
5. Афраймович Э.Л., Астафьева Э.И., Бернгардт О.И., Демьянов В.В., Кондакова Т.Н., Лесюта О. С., Шпынев Б.Г. Среднеширотные амплитудные мерцания сигналов GPS и сбои функционирования GPS на границе аврорального овала. // Изв. ВУЗов, Радиофизика. 2004. Т. XLVII. №7. С.509-526.
6. Афраймович Э.Л., Э.И. Астафьева, С.В. Воейков. Генерация ионосферных неоднородностей при распространении уединенной внутренней гравитационной волны во время мощной магнитной бури 30.10.2003 г. // Электронный журнал "Исследовано в России", 184, 1964-1970, 2004, http://zhurnal.ape. relarn.ru/articles/2004/184.pdf.
7. Е Гундзе, Лю Чжаохань. Мерцания радиоволн в ионосфере. // ТИИЭР. 1982. Т.70. № 4. C. 5-45.
8. Afraimovich E.L., E.A.Kosogorov, L.A.Leonovich. The use of the international GPS network as the global detector (GLOBDET) simultaneously observing sudden ionospheric disturbances. // Earth, Planets, and Space. 2000. V.52. №11. P.1077-1082.
9. Afraimovich E.L., Lesyuta O.S., Ushakov I.I. and Voeykov S.V. Geomagnetic storms and the occurrence of phase slips in the reception of GPS signals. // Annals of Geophysics. 2002. V. 45. N 1. P. 55-71.
10. Afraimovich, E.L., V.V. Demyanov, T.N. Kondakova. Degradation of performance of the navigation GPS system in geomagnetically disturbed conditions. // GPS Solutions, 2003, V. 7, N 2, P.109-119.
11. Conker, R.S., M. B. El-Arini, C. J. Hegarty and T. Hsiao. Modeling the effects of ionospheric scintillation on GPS/Satellite-Based Augmentation System availability // Radio Sci. 2003. V. 38. N1. 1001, doi:10.1029/2000RS002604.
12. Doherty, P.H., S.H. Delay, C.E. Valladares, and J.A. Klobuchar. Ionospheric Scintillation Effects in the Equatorial and Auroral Regions // Proceedings of International Beacon Satellite Symposium, June 4-6, 2001, Boston College, Institute for Scientific Research, Chestnut Hill, MA, USA. 2001. P. 328-333.
13. Kintner P.M., H. Kil, and E. de Paula. Fading time scales associated with GPS signals and potential consequences // Radio Sci. 2001. V. 36. №4. P. 731-743.
14. Ledvina B.M., Makela J.J., Kintner P.M. First observations of intense GPS L1 amplitude scintillations at midlatitude // Geophys. Res. Lett. 2002. V. 29. N14. 10.1029/2002GL014770.
15. Skone, S., and M. de Jong. The impact of geomagnetic substorms on GPS receiver performance // Earth, Planets and Space. 2000. V.52. P. 1067-1071.
