Исследование влияния широкополосного солнечного радиоизлучения и ионосферных неоднородностей на распространение и прием сигналов GPS тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ
|
Ишин, Артем Борисович
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Иркутск
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2010
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.03
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
ф
Российская академия наук Сибирское отделение Учреждение российской академии наук Институт солнечно-земной физики СО РАН
Ишин Артём Борисович
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ШИРОКОПОЛОСНОГО СОЛНЕЧНОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ И ИОНОСФЕРНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ПРИЕМ СИГНАЛОВ GPS
Специальность 01.04.03 - радиофизика
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Иркутск - 2010
-2 СЕН 2010
004607745
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук
Научный руководитель:
доктор физико-математических наук профессор |Афраймович Эдуард Леонтьевич!
Научные консультанты:
доктор технических наук профессор Смольков Геннадий Яковлевич
кандидат физико-математических наук Перевалова Наталья Петровна
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук профессор Куницын Вячеслав Евгеньевич, Московский государственный университет
доктор физико-математических наук профессор Афанасьев Николай Тихонович, Иркутский государственный университет
Ведущая организация:
Учреждение Российской академии наук Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН
Защита состоится «2(» сентября 2010 г. в «/ч на заседании диссертационного совета Д 003.034.01 при Учреждении Российской академии наук Институте солнечно-земной физики СО РАН (664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 126 а, а/я 291 ИСЗФ СО РАН).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института солнечно-земной физики СО РАН
Автореферат разослан « » июля 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат физико-математических наук
Поляков В.И.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
А1сгуальность темы
Спутниковые радиотехнические системы активно используются в различных сферах человеческой деятельности. Современные средства спутниковой навигации и связи, в том числе глобальные навигационные системы GPS, ГЛОНАСС, работают на частотах дециметрового диапазона. В результате проведенных в последнее десятилетие исследований стало ясно, что на распространение радиоволн этого диапазона существенное влияние оказывает состояние околоземного космического пространства (ОКП): возмущения на Солнце и в магнитном поле Земли, регулярная структура и динамика ионосферы, неоднородности ионосферной плазмы. В связи с этим проблемы воздействия различных факторов ОКП на функционирование спутниковых радиотехнических систем находятся сейчас в центре внимания научной общественности.
Известно, что на эффективность работы GPS оказывают значительное влияние ионосферные неоднородности, вызывающие искажение сигнала GPS [1]. Падение уровня сигнала вследствие рассеяния приводит к уменьшению отношения сигнал/шум, а следовательно, к срывам сопровождения фазы несущей частоты и невозможности высокоточного позиционирования. Считалось, что такие явления типичны для экваториальной и авроральной областей, а во время главной фазы магнитных бурь и для среднеширотных регионов [2, 3]. Однако анализ сбоев функционирования системы GPS на плотных сетях станций позволил определить авторам [4], что и в спокойных геомагнитных условиях возможны серьезные нарушения функционирования системы, вызванные крупномасштабными неоднородностями, даже на средних широтах. В статье [4] сообщается о регистрации многочисленных сбоев сопровождения сигналов на вспомогательной частоте /2 системы GPS. В это же время наблюдались большие временные градиенты полного электронного содержания (ПЭС). Авторы [4] считают, что это показательный пример проявления так называемых ионосферных пузырей (super bubbles) - вытянутых вдоль магнитного поля Земли областей пониженной электронной концентрации. Однако если крупномасштабная неоднородность ионосферной плазмы вытянута вдоль магнитного поля (будем называть ее «магнитно-ориентированная неоднородность»), то лучи проходящие через эту неоднородность вдоль, под углом и перпендикулярно магнитному полю будут распространяться в принципиально различных условиях, и у них должны наблюдаться разные искажения. Соответственно, стабильность приема сигнала в системе GPS для лучей разной ориентации будет различной. Однако этот вопрос до сих пор подробно не исследовался. Поэтому изучение влияния ориентации луча «спутник-приемник» относительно магнитного поля на плотность сбоев в системе GPS является актуальной задачей. Детальный анализ зависимости плотности фазовых сбоев от угла между лучом «спутник-приемник» и направлением магнитного поля стал доступен после создания плотных региональных сетей приемников GPS, например японской сети GEONET, начитывающей более 1200 станций.
Причиной срыва фазы несущей навигационного сигнала может стать не только уменьшение уровня сигнала, но и увеличение фонового уровня шумов из-за различных
факторов. Такими факторами могут выступать всплески радиоизлучения, во время вспышек на Солнце. Следует отметить, что при разработке спутниковых радионавигационных систем GPS и ГЛОНАСС, помехи от солнечного радиоизлучения вообще не рассматривались как потенциальный источник снижения надежности приема сигнала. Так, в разделе «Помехозащищенность и электромагнитная совместимость СРНС» в монографии-справочнике [5] среди множества источников помех солнечное радиоизлучение не упоминается. 6 декабря 2006 г. на Солнце произошла вспышка класса Х6.5. Усиление потока широкополосного солнечного радиоизлучения, последовавшее за этой вспышкой, превысило по интенсивности радиовсплески всех известных до сих пор вспышек как минимум на два порядка. Это привело к сбоям в работе спутниковых радиосистем, в том числе навигационной системы GPS [6]. Чтобы оценить масштаб поражения всей системы GPS-позиционирования, был необходим детальный анализ влияния вспышки 6 декабря 2006 г. на функционирование GPS в глобальном масштабе. Сделать это позволили общедоступные данные мировой сети станций GPS.
Таким образом, исследование влияния различных факторов, таких как широкополосное радиоизлучение Солнца, неоднородности ионосферной плазмы, геомагнитная возмушенность, геомагнитная широта, на распространение и прием сигналов GPS является очень актуальным.
Предметом исследования в настоящей диссертации являются сбои сопровождения фазы несущей частоты сигнала GPS, вызванные мощным радиоизлучением Солнца и магнитно-ориентированными ионосферными неоднородностями, проанализированные на обширном статистическом материале.
Цель работы: исследование влияния мощных всплесков солнечного радиоизлучения и ионосферных неоднородностей на распространение и прием сигнала GPS на основе анализа сбоев сопровождения фазы; исследование морфологии относительных ионосферных вариаций полного электронного содержания, потенциально приводящих к срывам сопровождения сигнала в системе GPS.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. разработка методов, алгоритмов и программ для обработки большого массива данных приемников GPS с целью анализа сбоев сопровождения фазы несущей частоты радиосигнала «спутник-приемник» GPS;
2. создание специализированной базы данных глобальной сети приемников GPS, необходимой для изучения сбоев GPS и зависимости относительной амплитуды вариаций ПЭС от геомагнитной широты;
3. исследование зависимости относительной амплитуды вариаций ПЭС от геомагнитной широты при разных уровнях геомагнитной возмущенности;
4. исследование зависимости количества сбоев сопровождения фазы несущей частоты радиосигнала GPS от взаимного расположения луча «спутник-приемник» и направления магнитного поля на высоте ионосферы в присутствии крупномасштабных ионосферных неоднородностей;
5. анализ зависимости сбоев сопровождения фазы несущей частоты радиосигнала «спутник-приемник» GPS от интенсивности широкополосного солнечного радиоизлучения;
6. сравнение надежности работы во время всплесков солнечного радиоизлучения систем GPS и ГЛОНАСС.
Научная новизна исследования
1. Впервые по данным большого количества приемников получено статистически значимое экспериментальное свидетельство того, что во время наиболее сильных всплесков солнечного радиоизлучения GPS-позиционирование на освещенной стороне Земли временно парализуется. Установлено, что ГЛОНАСС подвержена сбоям в меньшей степени. Показано, что высокий уровень фазовых сбоев на одной или двух частотах вызван влиянием аддитивного шума солнечного радиоизлучения.
2. Впервые по данным плотной сети станций GPS показано, что существенное увеличение количества сбоев сопровождения фазы несущей частоты в системе GPS наблюдается в присутствии крупномасштабных ионосферных неоднородностей при распространении радиосигнала под углами -0 и -90° с магнитным полем Земли.
3. На основе анализа взаимного расположения луча «спутник-приемник» и направления магнитного поля на высоте ионосферы предложен метод выбора спутников, для минимизации возможности сбоев высокоточных фазовых измерений координат систем GPS/ГЛОНАСС.
Достоверность результатов, представленных в диссертации, обусловлена использованием физически обоснованных методов анализа данных, современной модели магнитного поля Земли IGRF и представительной статистикой экспериментальных данных GPS. Результаты работы находятся в качественном согласии с результатами исследований, опубликованных ранее другими авторами.
Практическая ценность работы
Полученные результаты и разработанные в диссертации методы могут быть использованы для корректировки алгоритмов выбора спутников в системах GPS и ГЛОНАСС, принятия мер по повышению их помехозащищенности в целях увеличения надежности этих систем, а также для развития методов прогнозирования ошибок позиционирования в глобальных навигационных спутниковых системах.
Личный вклад автора
Основные результаты диссертации являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии.
Автору принадлежат:
1. исследование относительной амплитуды вариаций ПЭС в зависимости от геомагнитной широты в различных геомагнитных условиях;
2. исследование влияния магнитно-ориентированных неоднородностей ионосферной плазмы над территорией Японии на функционирование региональной сети станций GPS;
3. комплексное исследование нарушений функционирования системы GPS, вызванных всплесками широкополосного радиоизлучения во время солнечных вспышек. Сравнение устойчивости двух навигационных систем (GPS и ГЛОНАСС) к широкополосному солнечному радиоизлучению;
4. усовершенствование программного комплекса для обработки большого массива данных приемников GPS, а также разработка пакета программ для визуализации и исследования сбоев определения навигационных параметров в системе GPS, вызванных ионосферными неоднородностями, вытянутыми вдоль магнитного поля;
5. создание специализированной базы данных мировой сети приемников GPS.
Апробация работы
Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на Международной Байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике, БШФФ-2009, Иркутск; International conference AIS-2008: Atmosphere, ionosphere, safety, 2008, Калининград; XXII Всероссийской конференции «Распространение радиоволн», п. JIoo, Краснодарский край, 2008; 37th COSPAR Scientific Assembly, Montreal, Canada, 2008; URSI General Assembly, Chicago, USA, 2008; EGU General Assembly, Vienna, Austria, 2008; XV International Symposium «Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics», Красноярск, 2008; 12th Ionospheric Effects Symposium, Alexandria, USA, 2008; VI Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург, 2008; IV Всероссийской научной школе и конференции «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред», Муром, 2009; The IX Russian-Chinese Workshop on Space Weather, Irkutsk, 2009; Международной конференции «Солнечно-земная физика», Иркутск, 2010; семинарах отдела 1.00 ИСЗФ СО РАН.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, включающих 3 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК: «Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics», «Космические исследования», «Геомагнетизм и аэрономия».
Основные положения, выносимые на защиту
1. Получено экспериментальное доказательство ухудшения качества функционирования системы GPS, вызванного мощными потоками широкополосного радиоизлучения Солнца во время вспышек. Показано, что система ГЛОНАСС характеризуется более высокой устойчивостью работы, чем GPS в аналогичных условиях.
2. Экспериментально установлено увеличение плотности сбоев сопровождения фазы вспомогательной частоты приемниками GPS при распространении радиосигнала вдоль и поперек магнитного поля в присутствии неоднородностей ионосферной плазмы на средних широтах. При распространении сигнала вдоль магнитно-силовой линии в присутствии неоднородностей электронной концентрации для отдельных спутников доля приемников, не принимающих сигнал, может превышать 30 %.
3. На большом статистическом материале подтверждена зависимость относительной амплитуды вариаций ПЭС от геомагнитной широты и возмущённое™. В обоих полушариях наблюдается линейный рост средней относительной амплитуды вариаций ПЭС в 1.5 раза в области геомагнитных широт 30-63°. На более высоких широтах (63-75°) регистрируется резкий рост амплитуды в 10 раз. В возмущенных геомагнитных условиях происходит смещение границ указанных областей в экваториальном направлении (с 63 до 55° и с 75 до 70° соответственно), а также общее увеличение амплитуды в 1.4 раза.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы, содержащего 80 ссылок. Общий объем диссертации 107 страниц, включая 28 рисунков.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во Введении приведена общая характеристика работы, отражена ее актуальность, сформулированы цели диссертации и решаемые задачи, приведено краткое содержание диссертации.
В Первой главе даны общие сведения о глобальной радионавигационной системе GPS, а также о мировой и региональных сетях станций двухчастотных приемников GPS. Обсуждается современное состояние работ по использованию глобальных навигационных спутниковых систем в качестве инструмента для исследования околоземного пространства. Изложен метод определения полного электронного содержания (ПЭС) по данным двухчастотных фазовых измерений в системе GPS. Дано описание технологии построения глобальных карт абсолютного «вертикального» ПЭС (GIM-карт) по данным международной сети GPS-станций. Приведены сведения о международной справочной модели магнитного поля Земли (IGRF-10).
Во Второй главе представлены результаты исследования относительной амплитуды вариаций ПЭС. Исследования проводились на основе анализа временных рядов вариаций ПЭС, полученных по данным станций GPS с разрешением 30 с. В работе использовались находящиеся в свободном доступе данные станций GPS по всему миру [7].
Методы вычисления вертикального ПЭС 7(f) по фазовым измерениям GPS и расчет относительной амплитуды dlH детально описаны в [1,5]. Относительная амплитуда dl/l определялась путем нормировки величины среднеквадратичного отклонения отфильтрованного в заданном диапазоне периодов ряда dl(t) на фоновое значение /0. В качестве /0 использовалось значение вертикального ПЭС, полученное с двухчасовым временным разрешением по глобальным картам ПЭС в формате IONEX [1]. Всего за сутки усреднение проводилось для 22 интервалов времени длительностью 2.3 часа. При среднем числе станций GPS около 500 и не менее 5 одновременно наблюдаемых каждой станцией спутников GPS среднее число рядов вариаций ПЭС с хорошим качеством данных за сутки составляло не менее 18000. Всего было проанализировано 110 суток за различные сезоны 2004-2009 гг., или 2-Ю6 рядов.
На рис. 1 представлена зависимость относительной амплитуды вариаций ПЭС от геомагнитной широты для двух диапазонов периодов: 2-10 мин и 20-60 мин. Средняя амплитуда вариаций с периодами 20-60 мин на всех геомагнитных широтах в 3-4 раза выше, чем вариаций с периодами 2-10 мин.
£////,
321 0
V
V
0<А"р<9 2-Ю мин
\ •
t
■п
i ■■ ■ I •■ ■ I •■ ■ Г ■ I
-90 -60 -30 0 30 60 90
Геомагнитная широта. °
dill, 12—1
840
20-60 мин
-90
-60 -30 0 30
Геоиагшггная широта, 0
60 90
Рис. 1. Зависимость относительной амплитуды вариаций полного электронного содержания от геомагнитной широты для двух диапазонов периодов фильтрации.
Установлено, что в обоих диапазонах периодов (2-10 мин и 20-60 мин), начиная с 50° северной и южной широты, наблюдается заметный рост средней относительной амплитуды вариаций ПЭС с увеличением широты. С одной стороны, это связано с приближением к авроральному овалу, где имеет место повышенный уровень возмущенности ионосферы. С другой стороны, это вызвано уменьшением общего уровня ПЭС при увеличении широты по сравнению с уровнем ПЭС на средних широтах, что ведет к увеличению относительной амплитуды вариаций.
Для более детального рассмотрения был выбран регион Северной Америки как обладаюший достаточно плотной сетью приемников GPS. Американская сеть охватывает значительную пространственную область, в отличие, например, от Японской региональной сети GEONET, что позволяет более качественно рассмотреть особенности распределения относительной амплитуды вариаций в зависимости от геомагнитной широты. Зависимость средней относительной амплитуды вариаций ПЭС от геомагнитной широты рассматривалась для трех уровней геомагнитной возмущенное™ (/*fp<3, 3<КР<6, Kp>6). Карты распределения интенсивности относительных 20-60 минутных вариаций ПЭС для спокойной (Кр<3) и возмущенной (Кр>6) ионосферы представлены на рис. 2. Наблюдается рост средней относительной амплитуды вариаций ПЭС с увеличением геомагнитной широты.
dl/I, % 3
2.5
г
1.5 1
-140 -120 -100 Долгота, Е
-140 -120 -100 -80 Долгота, Е
Рис. 2. Карта средней амплитуды относительных вариаций ПЭС периодов 20-60 мин над территорией Северной Америки для 37 дней с А"р<3 (а) и для 31 дня Кг>6 (б).
Зависимости относительной амплитуды вариаций ПЭС от геомагнитной широты в разных геомагнитных условиях для региона Северной Америки представлены на рис. 3. Приведены данные для двух диапазонов периодов фильтрации: 2-10 мин, 20-60 мин.
При низком уровне геомагнитной активности (Кр<3) на геомагнитных широтах с 30 до 62° наблюдается линейное увеличение dill в полтора раза. С 63° геомагнитной широты до 70-75° геомагнитной широты происходит резкое увеличение dill в -10 раз. Начиная с 70—75° геомагнитной широты и до полюса расположена область, где рост амплитуды dill прекращается (область «плато насыщения», область В).
При среднем уровне геомагнитной возмущенности (3<КР<6) наблюдается схожая картина, но с общим увеличением интенсивности и разброса dill. Северная граница области линейного увеличения dill (пунктирная линия А) смещается с 63 до 57° геомагнитной широты. Аналогично резкое увеличение dill и «плато насыщения» начинаются на более низких широтах. Амплитуда dUI в области «плато насыщения» в этом случае в 1.4 раза больше, чем в случае 0<Кр<3.
При ЛГР>6 наблюдается дальнейшее смещение наблюдаемых эффектов в южном направлении при общем увеличении амплитуды относительных вариаций в 1.4 раза. Так, линейное увеличение наблюдается только до 53°, а интенсивности, характерные для «плато насыщения» (область В) при этих геомагнитных условиях, наблюдаются уже на 65°. Смещение эффекта в южном направлении, скорее всего, связано с расширением авроральной области на средние широты.
Рис. 3. Зависимость относительной амплитуды вариаций ПЭС от геомагнитной широты для трех уровней геомагнитной возмущенности и двух диапазонов периодов фильтрации.
Для всех уровней геомагнитной возмущенности, наблюдается некоторое увеличение амплитуды вариаций dUI с периодами 20-60 мин, при приближении к экватору (область Б). Этот эффект, возможно, связан с неустойчивостями, возникающими на резких градиентах электронной концентрации в гребнях экваториальной аномалии.
Таким образом, на основе большого статистического материала определены широтные границы областей характерного поведения относительной амплитуды вариаций ПЭС в различных геомагнитных условиях.
В третьей главе представлены результаты исследования нарушений функционирования системы GPS вследствие воздействия ионосферных неоднородностей на трансионосферный сигнал. Интенсивные мелкомасштабные ионосферные неоднородности, входящие в состав крупномасштабных, могут приводить к сильным амплитудным и фазовым мерцаниям сигнала GPS, вызывая потерю фазы сигнала и приводя к невозможности осуществления высокоточной навигации [8, 9]. Размер таких неоднородностей имеет порядок первой зоны Френеля, что соответствует 150— 300 м на высоте ионосферы для частот GPS/¡=1575.25 МГц,/2=1227.2 МГц. В главе приведены методы и результаты детектирования эффектов крупномасштабного плазменного пузыря (super bubble), зарегистрированного 12 февраля 2000 г. над Японией. Впервые пузырь был обнаружен по градиентам ПЭС на основе данных 300 станций GPS авторами [4]. Считается, что такие пузыри вытянуты вдоль магнитного поля [10, 11], поэтому искажение лучей, проходящих через эту область ионосферы, может наблюдаться при асимметрии относительно направления, при котором направление луча «спутник-приемник» совпадает с направлением магнитного поля. В
качестве экспериментальных данных в диссертации использовались измерения региональной японской сети GPS GEONET [12], состоявшей в 2000 г. более чем из 1200 станций. Анализ геомагнитной обстановки за 12 февраля не выявил каких-либо сильных геомагнитных возмущений, которые могли генерировать крупномасштабные образования. Ионосфера в исследуемый день была на фазе восстановления после небольшой магнитной бури. Значение Ds, не опускалось ниже -40 нТл. Индекс Кр менялся в пределах от 1 до 3.
На рис. 4 представлена зависимость от времени количества приемников N(t), на которых наблюдались срывы сопровождения фазы на несущей частоте f2 (вспомогательная частота), для всех спутников 12 февраля 2000 г. Как можно видеть, в этот день сбои сопровождения фазы сигнала частоты/: наблюдались практически постоянно. Однако примерно в 11-13 ч количество приемников, зарегистрировавших сбой /2, увеличивается в несколько раз. Согласно [4], как раз в это время регистрируется super bubble.
В каждый конкретный момент времени определенный процент функционирующих приемников не принимает сигнал от выбранного спутника GPS. Сбой сопровождения фазы несущей частоты может происходить из-за различных «случайных» причин (сбой в аппаратуре приемника, внезапное отключение электричества, пролетающий самолет и т. д.). Будем считать, что процент этих «случайных» сбоев со временем остается, во-первых, не очень большим, во-вторых, в достаточной степени постоянным.
Рис. 4. Зависимость от времени числа приемников, регистрировавших сбои сопровождения фазы вспомогательной частоты/^ GPS, для всех спутников 12 февраля 2000 г.
Зависимость количества сбоев от угла у между лучом «спутник-приемник» и магнитным полем в ионосфере представлена на рис. 5 серой линией. Число сбоев растет при приближении у к 0 и 90°. Однако общее количество измерений для различных углов у различно. Например, для у вблизи 0° наблюдений было в несколько раз меньше, чем для у вблизи 65° (рис. 5, черная пунктирная линия). Для того, чтобы составить адекватную картину сбоев, необходимо было провести нормировку результатов и вычислить относительное количество сбоев P(y)=100N(y)/5(y) в процентах для каждого угла у.
12 февраля 2000 г.
20:17 UT Восход
9:55 ИТ Закит
12 февраля 2000 г.. все спутники s(r); ту) Р(у). %
4\Ю" ~ Г " ' ---— k'aiii.nrwj mfijuijeim«
0x10 "JiL
Рис. 5. Зависимость количества наблюдений 5 (штриховая кривая), количества сбоев N (серая кривая) и относительного количества сбоев Р (черная кривая) от угла у.
Относительное количество сбоев в % приведено на рис. 5 черной сплошной линией. Видно, что при у вблизи 0Ч наблюдается увеличение количества сбоев для всех приемников и всех спутников до 7 %. Для у вблизи 90° эта величина составляет только 1.5 %. Тем не менее принципиально, что увеличение плотности сбоев наблюдается как в области углов у~0°, так и у~90°.
На рис. 6 представлена зависимость количества приемников N(1), на которых наблюдались срывы сопровождения фазы на несущей частоте^, от времени, для четырех выбранных спутников.
12 февраля 2000 г.
Время. UT
Рис. 6. Зависимость количества приемников, на которых регистрировались сбои определения фазы вспомогательной частоты /г GPS, от времени для отдельных спутников.
Для спутника PRN 13 количество не принимающих его сигнал приемников на протяжении получаса (12:10-12:40) составляло более 200, для спутника PRN 13 больше 17 % приемников не принимали сигнал на частоте f2. Для других спутников количество приемников, на которых регистрировались сбои частоты /2, тоже было значительным (рис. 6).
На рис. 7 представлены траектории выбранных спутников в координатах угол места - азимут. Для каждого из четырех спутников выделены участки траектории с 11:00 до 14:00 ЦТ. Именно в это время наблюдалось максимальное количество сбоев. Указанные участки проходят вблизи областей, где луч «спутник-приемник» проходит на высоте 350 км параллельно магнитной силовой линии либо перпендикулярно ей.
Рис. 7. Траектории четырех спутников в координатах угол места - азимут. Серые области - области параллельности (0°<у<10°) и перпендикулярности (85°<у<90°) луча «спутник-приемник» и вектора магнитного поля Земли на высоте ионосферы. Утолщенные участки траекторий - положение спутников с 11:00 до 14:00. Траектории построены для средней части Японии.
Зависимость количества сбоев от угла у между направлением луча «спутник-приемник» и вектором магнитного поля Земли на высоте ионосферы, для сети GEONET представлена на рис. 8. Максимальный процент сбоев (до 33 %) наблюдается именно для тех спутников, траектории радиосигналов от которых проходят вдоль магнитной силовой линии. Усиление плотности сбоев наблюдается также для спутников с направлением распространения радиосигнала поперек магнитной силовой линии, но в количестве в несколько раз меньшем (3-6 %).
При определении общей статистики сбоев использовались данные для всех спутников. Нужно учитывать, что только небольшая часть траекторий проходит в той части небосвода, для которой выполняется условие параллельности луча «спутник-приемник» с магнитной силовой линией на высоте ионосферы. Однако общая статистика дает нам наибольшее количество сбоев сопровождения фазы несущей частоты в приемниках именно для этой области.
Таким образом, впервые по данным плотной сети станций GPS показано, что увеличение сбоев сопровождения фазы несущей трансионосферного радиосигнала происходит при его распространении параллельно магнитной силовой линии, а также на углах, близких к 90°. Плотность сбоев при распространении вдоль магнитной силовой линии значительно больше, чем поперек. Для отдельного спутника относительное количество не принимающих сигнал приемников в отдельные моменты времени может превышать 30 %, что совершено недопустимо для стабильной рабо-
12 февраля 2000 г.
о
--.—ьэд
зо I ss.
180
ты GPS. Общее количество станций GPS, для которых имеет место срыв сопровождения фазы при распространении радиосигнала вдоль магнитной силовой линии, может достигать 7-8 %.
Необходимо, чтобы каждый приемник при выборе спутников для определения своего местоположения учитывал возможные сбои, которые могут возникнуть для спутников с «неблагоприятным» положением в пространстве относительно магнитного поля.
Р<7), %
12 февраля 2000 г. 1:00-14:00 UT
PRN7 PRN IJ PRN Ii PRN24
Рис. 8. Зависимость относительного количества сбоев Р(у) от угла у для выбранных спутников GPS.
Четвертая глава посвящена исследованию нарушения функционирования спутниковых навигационных систем GPS/ГЛОНАСС во время мощных радиовсплесков, которые сопровождают солнечные вспышки [13].
В этой главе приведены результаты анализа сбоев функционирования GPS во время вспышек б декабря 2006 г. и 13 декабря 2006 г. в сравнении с картиной сбоев вспышки 28 октября 2003 г.
Для количественной оценки степени воздействия солнечного радиоизлучения на функционирование приемников GPS использовались различные критерии. Прежде всего, по методике [3] фиксировались сбои разности фаз двухчастотного режима, вызванные срывом сопровождения фазы на частоте/2. Для этой цели регистрировались ряды разности фаз длительностью около 4-5 ч. В этом случае результатом первичной обработки файлов данных является количество сбоев разности фаз в выбранный единичный интервал времени dT= 5 мин, а также соответствующее количество наблюдений, необходимое для нормировки данных. Эти данные для каждого спутника GPS затем усреднялись по всем выбранным станциям, что позволило вычислить среднюю плотность наблюдений R(t) и среднюю плотность сбоев S(t) для всех п рядов. Далее вычислялась средняя относительная плотность сбоев P(t)=S(t)/R(t) (%) и определялось максимальное значение Ртлх (%). Если очередная эпоха (30-секундный отсчет) в RINEX-файле была пропущена, число сбоев приравнивалось числу ожидаемых наблюдений, так что относительная плотность сбоев становилась равной 100 %.
Сбои ¿i-Z-2 (фазовые измерения на первой и второй частоте) означают невозможность высокоточного позиционирования в двухчастотном режиме; при этом остается возможность определения координат с худшей точностью в одночастотном режиме (L\). Однако позиционирование вообще невозможно, если не регистрируется сигнал ни на одной из частот GPS. Отсутствие сигнала на обеих частотах носит на-вание «пропуск отсчета».
Для оценки вероятности таких сбоев для всех рядов, содержащих сбои сопровождения фазы /2, определялось для каждого спутника относительное число пропущенных отсчетов N(t) измерений за данный 30-секундный интервал времени, по отношению к общему числу M(t) отсчетов, которые соответствуют заданному интервалу, для всех приемников: W(t)=N(t)/M(t) (%), а также соответствующее максимальное значение Wraax (%). Временное разрешение зависимости W(t) равно 30 с, что позволило провести детальное сравнение с временной зависимостью потока солнечного радиоизлучения.
На рис. 9 представлены зависимости P(t) во время вспышки 6 декабря 2006 г. для дневной стороны Земли, полученные для «=12793 рядов разности фаз, для всех наблюдаемых в данном интервале времени спутника GPS при ограничении угла места 0>1О° ¡и 0>4О°.
6.12.2006
■■■нмммнммпшеаЁЯБш: " а
100 1000 10" 10s Wafij
Угол места О. град
Рис. 9. Спектр радиоизлучения в диапазоне 1.2-2.0 ГГц на солнечном спектрографе OVSA (а). Относительная плотность фазовых сбоев P(t) для всех видимых спутников GPS и углов места 0>Ю° и 0>4О° на освещенной и для ©>10° на неосвещенной стороне Земли (б, тонкая, толстая и штриховая линии соответственно). Зависимость уровня сигнала GPS от угла места и мощности передатчика спутника (в).
Значительное превышение фонового уровня Р(г)~0.5 %, характерного для слабовозмущенной ионосферы [3] (/sTp=4), наблюдается 6 декабря 2006 г. в интервале времени 19:15-19:45 UT, соответствующем резкому увеличению потока радиоизлучения Солнца в диапазоне частот GPS (рис. 9, а). Максимальное значение средней относительной плотности сбоев Ртах=18.6 % в 30^40 раз превышает фоновое значение Pit). В то же время средняя относительная плотность сбоев на ночной стороне Земли («=3521) близка к фоновому значению (штриховая линия).
Свидетельства ухудшения качества функционирования GPS получены и при оценке средней относительной плотности сбоев для отдельных спутников GPS. На рис. 10, а зависимости Pit) даны для некоторых спутников в интервале времени 19:15-19:45 UT.
06.12.2006
Рис. 10. Фазовые сбои и пропуски отсчетов для различных спутников GPS во время вспышки 6 декабря 2006 г. (а, в, г). Спектр радиоизлучения в диапазоне 1.2-2.0 ГГц, зарегистрированный на солнечном спектрографе OVSA (д). Отношение сигнал/шум на основной частоте GPS /, (б) по данным специализированного приемника GPS, предназначенного для регистрации мерцаний сигналов GPS (из статьи [6]).
Как можно убедиться, максимальные значения Р,гах могут достигать 80 % (PRN28) и даже 100 % (PRN24), в то время как для спутников PRN09 и PRN26 значения Ртах=30 % и Ртах= 13.7 %. Для всех наблюдаемых спутников была получена величина Ртах=18.6 %. Это различие качественно свидетельствует о том, что эффективная мощность передатчиков отдельных спутников GPS отличается более чем в 2-5 раз. Временное разрешение, с которым получены ряды Pit), оказалось недостаточным, чтобы отобразить тонкую временную структуру спектра радиоизлучения
(рис. 10, д), зарегистрированного с разрешением не хуже 1 с. Тем не менее, можно отметить совпадение формы всплеска фазовых сбоев (рис. 10, а) с огибающей потока радиоизлучения.
Аналогичное соотношение для средней плотности фазовых сбоев GPS на дневной и ночной стороне получено и при ограничении угла места 9>40° (рис. 9, б). Однако, как и ожидалось, для высоких углов места луча на спутник вероятность сбоев на освещенной стороне оказалась на порядок ниже, чем для низких углов (рис. 9, б, тонкая линия, «=12929 рядов).
Оценки максимальной плотности сбоев для отдельных спутников получены при большом усреднении (порядка 400 станций). Это означает, что в течение почти 10 мин I большая часть приемных станций в освещенной зоне не могла обеспечить высокоточные навигационные определения, для которых необходимы непрерывные данные запаздывания сигналов GPS одновременно на обеих частотах f\ и/2.
Зависимости относительного числа пропущенных 30-секундных отсчетов W{t) для выбранных спутников GPS во время вспышки 6 декабря 2006 г. представлены на рис.10, в, г. Вертикальными штрихами отмечены моменты времени Ть Т2, Г3, когда наблюдались мощные всплески радиоизлучения, зафиксированные спектрографом OVSA (рис. 10, д). Именно в эти моменты времени наблюдались максимумы плотности пропусков отчетов.
13.12.2005
2:15 1:30 г:*5 3:00 3:15 3:30 3:45
Время. UT
Рис. II. Фазовые сбои (а, 6) и пропуски отсчетов (в, г) для различных спутников GPS во время вспышки 13 декабря 2006 г. Поток солнечного радиоизлучения на частоте 1415 МГц, зарегистрированный на спектрографе Learmonth (о).
Зависимости сбоев и пропусков отчетов для отдельных спутников GPS во время двух основных интервалов времени А и В 13 декабря 2006 г., когда было зафиксировано мощное радиоизлучение, представлены на рис. 11. На рисунке 11 ,{а,б) зависимости P(t) даны для всех наблюдаемых спутников в интервале времени 02:15-03:45 UT. Как можно убедиться, максимальные значения Ртш во время всплеска В с 03:30 до 03:37 UT достигали 35 % и даже 49 % (PRN16 и PRN13). В этом случае можно отметить совпадение формы всплеска фазовых сбоев с огибающей потока радиоизлучения (рис. 11,д). Аналогичные совпадения можно видеть и для пропусков отсчетов сигналов различных спутников (рис. 11, в, г).
Проведено сравнение статистики фазовых сбоев в системе GPS во время мощного радиовсплеска 6 декабря 2006 г. с аналогичными данными для вспышки 28 октября 2003 г., для которой уровень солнечного радиоизлучения не превышал 6103 s.f.u. (solar flux unit - единица потока солнечного радиоизлучения), т. е. был в 100 раз меньше, чем 6 декабря 2006 г. (рис. 12).
На рис. 12, г жирной линией показана зависимость P(t) для дневной стороны Земли, полученная для /г=2452 пролетов спутников, для всех наблюдаемых в данном интервале времени спутников GPS при ограничении угла места Э>10°. Несмотря на то, что уровень радиоизлучения для этой вспышки на 2 порядка ниже «сверхвсплеска» 6 декабря 2006 г., и в этом случае уровень сбоев, достигший максимального значения <Рпил=1-6б % для всех спутников, в 3 раза превысил фон. Средняя плотность сбоев на ночной стороне Земли («=12070, тонкая линия) не превысила фонового значения. Форма всплеска фазовых сбоев на дневной стороне совпадает с огибающей потока радиоизлучения, зарегистрированного на радиоспектрографе TRST в Триесте (рис. 12, д).
еста > Все PRN
О I
,2 00 _ Время. ЦТ
е d
Рис. 12. Фазовые сбои для различных спутников GPS во время вспышки 28 октября 2003 г. (а, б, в); для всех спутников на освещенной и темной сторонах Земли (г). Поток солнечного радиоизлучения на частоте 1420 МГц, зарегистрированный на спектрографе TRST (д).
Полученные для всех спутников результаты более четко прослеживаются при опенке средней относительной плотности сбоев для отдельных спутников GPS. На рис. 12, а-в зависимости P(t) даны для выбранных спутников в интервале времени 10:00-12:00 UT. Максимальные значения Ргоах могут достигать 10.2 % (PRN18) и 11.1 % (PRN05). Необходимо отметить, что и для этой вспышки вероятность сбоев убывает и возрастает синхронно с изменениями интенсивности радиоизлучения.
На рис. 9, в дана качественная иллюстрация механизма фазовых сбоев в системах GPS/TJ10HACC во время вспышки. Кривыми 1, 2, 3 отмечены зависимости уровня сигнала GPS или ГЛОНАСС от значения угла места 0 луча на спутник для передатчиков с различной эффективной мощностью. Монотонное уменьшение уровня сигнала связано с увеличением расстояния между спутником и приемником. В обычных условиях в результате корреляционной обработки широкополосного сигнала в приемнике уровень аддитивного шума на - 40 дБ ниже уровня сигнала, так что на рис. 9, в его невозможно различить. Во время мощного всплеска радиоизлучения Солнца уровень шума (отмечен на рис. 9, в горизонтальным пунктиром) при низких углах места © оказывается сравним с уровнем сигнала, что приводит к срыву сопровождения фазы (фазовому сбою) сигнала GPS. Для спутника с высокой эффективной мощностью сигнала (кривая 1) это условие выполняется при достаточно низких углах места (0=11°), для менее мощного сигнала 2 - при 0=22°. Для слабого сигнала 3 сбои начинаются для высоких углов места 0=43°, в результате эффективность высокоточной навигации с использованием этого спутника во время вспышки снижается. Срыв сопровождения фазы на вспомогательной частоте/2 регистрируется значительно чаще, чем на основной частоте /ь поскольку мощность передатчиков спутников GPS на частоте /2 на 6 дБ меньше. [5, 14,15].
Наши результаты вполне согласуются с выводами работы [16], в которой на основе анализа качества функционирования GPS во время вспышки 28 декабря 2003 г. показано, что предложенное ранее значение «угрожающего» порога интенсивности солнечного радиоизлучения Fmin=40 000 s.f.u., при которых происходит сбой функционирования GPS [17], является явно завышенным. В [16] обосновано более реалистическое значение F„u„ в диапазоне 6000-12000 s.f.u., что почти на порядок ниже принятой ранее величины.
Наши данные свидетельствуют о том, что значение еще ниже оценки, приведенной в [16]. Наиболее четко это проявляется при анализе зависимости пропусков отсчетов измерений GPS от зенитного угла Солнцах (рис. 13). Интенсивность потока F(t) солнечного радиоизлучения в полосе частот /1=1.2 ГГц и/2=1.6 ГГц, зарегистрированного на солнечном спектрографе OVSA, приведена в линейном (а) и в логарифмическом масштабе (д). Пропуски отсчетов измерений GPS в зависимости от зенитного угла Солнца х во время вспышки 6 декабря 2006 г. показаны на панелях (б-г). Вертикальные пунктирные линии отмечают моменты времени с максимальным количеством пропусков отчетов. Сравнение пропусков отчетов W(t) для малых значений зенитного угла 0°>х>50° с интенсивностью радиоизлучения F(t) для/2=1.6 ГГц, близкой к вспомогательной частоте GPS, показывает их близкое сходство (рис. 13, ó). Необходимо отметить также, что значениях порога Finm, при котором уже фиксируются сбои в работе приемников GPS при малых значениях зенитного угла Солнца, не превышает Ю3 s.f.u. (отмечен горизонтальным пунктиром). Этот вывод подтверждается и сравнением с данными, полученными для вспышки 28 октября 2003 г. (рис. 12).
Увеличение числа пропусков отсчетов при высоких зенитных углах Солнца свидетельствует о солнечном происхождении помех в диапазоне частот GPS. Уменьшение количества сбоев с ростом зенитного угла обусловлено ослаблением солнечного радиоизлучения в атмосфере [5,16].
Таким образом, по данным глобальной сети приемников GPS получено статистически значимое свидетельство того, что во время мощных всплесков широкополосного солнечного радиоизлучения 6 и 13 декабря 2006 г. на протяжении более 5-10 мин работа GPS на всей освещенной стороне Земли была частично парализована. Высокоточный режим позиционирования, для которого необходим уверенный прием сигнала на двух частотах GPS, был нарушен на подсолнечной стороне для 10-20 % приемных станций GPS. При этом для 20-80 % из числа этих станций отмечен срыв сопровождения сигналов GPS на обеих частотах, при котором позиционирование вообще невозможно.
Для оценки влияния усиления широкополосного солнечного радиоизлучения во время вспышек на работу российской системы ГЛОНАСС был обработан массив данных по 44 GPS-ГЛОНАСС станциям в течение суток 6 и 13 декабря 2006 г. Однако из-за неравномерности распределения станций оснащенных комбинированными приемниками по поверхности земного шара только 4 станции 6 декабря 2006 г. и 7 станций 13 декабря 2006 г. оказались в освещенной зоне. Максимальная плотность сбоев сигналов ГЛОНАСС в 2-4 раза ниже, чем для GPS. Возможно, это преимущество обусловлено большей мощностью передатчиков ИСЗ и большей помехоустойчивостью алгоритмов обработки сигналов ГЛОНАСС.
06.12.200S
Рис. 13. Пропуски отсчетов измерений GPS в зависимости от зенитного угла Солнца х во время "вспышки 6 декабря 2006 г.: х>70° (б); 70°>х>50° (в); 0°>х>50° (г). Интенсивность потока F{t) солнечного радиоизлучения в полосе частот/i=l.2 ГГц (серые кривые) и/2=1.6 ГГц (черные кривые), зарегистрированного на солнечном спектрографе OVSA: линейный масштаб (а); логарифмический масштаб (д). Для сравнения на панели (д) нанесена относительная зависимость пропусков отсчетов lV(r) для малых значений зенитного угла 0°>х>50°.
В Заключении сформулированы основные результаты диссертации.
1. Впервые по данным плотной сети станций GPS показано, что существенное увеличение количества сбоев сопровождения фазы несущей частоты в системе GPS наблюдается в присутствии крупномасштабных ионосферных неоднородностей при распространении радиосигнала под углами -0 и -90° с магнитным полем. Обнаружено, что при распространении сигнала вдоль магнитно-силовой линии в присутствии неоднородностей электронной концентрации для отдельных спутников доля приемников, не принимающих сигнал, может превышать 30 %.
2. По данным глобальной сети приемников GPS получено статистически значимое свидетельство того, что во время мощных всплесков широкополосного солнечного радиоизлучения 6 и 13 декабря 2006 г. на протяжении более 5-10 мин работа GPS на всей освещенной стороне Земли была частично парализована. Высокоточный режим позиционирования, для которого необходим уверенный прием сигнала на двух частотах GPS, был нарушен на подсолнечной стороне для 10-20 % приемных станций GPS. При этом для 20-80 % из числа этих станций отмечен срыв сопровождения сигналов GPS на обеих частотах, при котором позиционирование вообще невозможно. Установлено заметное отличие уровня сбоев для различных спутников и типов приемников GPS. Определен порог интенсивности потока солнечного радиоизлучения 103 s.f.u., при котором фиксируются единичные сбои и пропуски отсчетов при измерениях параметров сигналов GPS. Значение этого порога почти на порядок ниже, чем было установлено ранее. Показано, что система ГЛОНАСС характеризуется более высокой устойчивостью работы, чем GPS в аналогичных условиях.
3. Проведено исследование зависимости относительной амплитуды вариаций ПЭС от геомагнитной широты и геомагнитной возмушенности. Определены широтные границы областей характерного поведения амплитуды в различных геомагнитных условиях. В обоих полушариях наблюдается линейный рост средней относительной амплитуды вариаций ПЭС в 1.5 раза в области геомагнитных широт 30-63°. На более высоких широтах (63-75°) регистрируется резкий рост амплитуды в 10 раз. В возмущенных геомагнитных условиях происходит смещение границ указанных областей в экваториальном направлении (с 63 до 55° и с 75 до 70° соответственно), а также общее увеличение амплитуды в 1.4 раза.
4. Разработаны методы и программы для обработки большого объема данных приемников GPS, с помощью которых проведён анализ сбоев сопровождения фазы несущей частоты.
Основные публикации автора по теме диссертации:
1. Афраймович ЭЛ., Демьянов В.В., Ишин А.Б., Смольков Г.Я. Сбои функционирования спутниковой навигационной системы GPS, обусловленные мощным радиоизлучением Солнца во время солнечных вспышек 6 и 13 декабря 2006 г. И Сборник трудов XXII Всероссийской конференции «Распространение радиоволн». 2008. Т. 1.С. 72-75.
2. Афраймович Э.Л., Живетьев И.В., Ишин А.Б. Относительная амплитуда вариаций полного электронного содержания (пространственное распределение и зависимость от геомагнитной активности) // Сборник трудов XXII Всероссийской конференции «Распространение радиоволн». 2008. Т. 1. С. 76-79.
3. Afraimovich E.L., Yasukevich Yu.V., Ishin A.B., Smolkov G.Ya. Powerful Solar Radio Bursts as a Potential Threat to GPS Functioning // Proceedings of XXIX URSI General Assembly 2008. GP2-06.1.
4. Afraimovich E.L., Demyanov V.V., Ishin A.B., Smolkov G.Ya. Powerful solar radio bursts as the global and free tool for testing satellite broadband radio systems, including GPS-GLONASS-GALILEO // Journal of Atmospheric and Solar-terrestrial Physics. 2008. V. 70. P. 1985-1994.
5. Afraimovich E.L., Demyanov V.V., Gary D.E., Ishin A.B., Smolkov G.Ya. Failure of GPS Functioning Caused by Extreme Radio Events (during the 2006 December 6 and 2006 December 13 solar flares (soft X-ray class X6.5 and X3.4, respectively) // 12,h Ionospheric Effects Symposium. 2008. Alexandria. VA. May 13-15. 2008. http://solar.njit.edu/preprints/afraimovichl361.pdf
6. Афраймович Э.Л., Демьянов B.B., Смольков Г.Я., Ишин А.Б. Технология диагностики поражения информационных технологий широкополосным радиоизлучением Солнца во время мощных солнечных вспышек // Сборник трудов VI Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». Санкт-Петербург. 2008. С. 20-26.
7. Афраймович Э.Л., Гаврилюк Н.С., Демьянов В.В., Ишин А.Б., Смольков Г.Я. 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. // Космические исследования. 2009. Т.47. № 2. С. 146-157.
8. Ишин А.Б., Афраймович Э.Л., Тинин М.В., Ясюкевич Ю.В. Экспериментальное исследование рассеяния радиосигнала GPS на ионосферных неоднородностях, вытянутых по магнитному полю // Труды XI Конференции молодых ученых «Гелио-и геофизические исследования». Международная Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике. Иркутск. 2009. С. 87-90.
9. Афраймович Э.Л., Смольков Г.Я., Ишин А.Б. Широкополосное радиоизлучение Солнца во время вспышек нарушает функционирование спутниковых информационных систем // Известия крымской астрофизической обсерватории. 2010. Т. 106. С. 53-59.
10. Афраймович Э.Л., Воейков С.В., Ишин А.Б., Перевалова Н.П., Ружин Ю.Я. Вариации полного электронного содержания во время мощного тайфуна 5-11 августа 2006 г. у юго-восточного побережья Китая И Геомагнетизм и аэрономия. 2008. Т. 48. № 5. с. 703-708.
Цитируемая литература
1. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли // Иркутск: Изд-во ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН. 2006.480 с.
2. Kintner P.M., Kil Н., Е. de Paula. Fading time scales associated with GPS signals and potential consequences // Radio Science. 2001. V. 36. N 4. P. 731-743.
3. Afraimovich E.L., Lesyuta O.S., Ushakov I.I. Geomagnetic disturbances, and the GPS operation // Geomagnetism and Aeronomy. 2002. V. 42, N 2. C. 220-227.
4. Ma G., Maruyama T. A super bubble detected by dense GPS network at east Asian longitudes//Geophys. Res. Lett. 2006. V. 33. P. L21103. doi: 10.1029/2006GL027512,
5. Перов А.И., Харисов B.H. ГЛОНАСС: принципы построения и функционирования // М.: Радиотехника. 2005. 688 с.
6. Cerruti А.Р., Kintner P.M., Gary D.E., et al. Observed Solar Radio Burst Effects on GPS/ WAAS Carrier-to-Noise Ration // Space Weather. 2006. V. 4. P. S10006. doi: 10.1029/2006SW000254.
7. http://sopac.ucsd.edu/cgi-bin/dbDataByDate.cgi
8. Carrano C.S., Groves K.M., Bridgwood C.T. Effects of the December 2006 Solar Radio Bursts on the GPS Receivers of the AFRL-SCINDA Network // Proceedings of the International Beacon Satellite Symposium. / Ed. P.H. Doherty. Boston College. June 11-15,2007.
9. Perevalova N.P., Afraimovich E.L., Zhivetiev I.V., Kosogorov E.A. Relative amplitude of the variations of the total electron content according to the data of the GPS global network//Int. J. of Geomagn. and Aeron. 2007. V. 7. P. GI1007. doi:10.1029/2005GI000132.
10. Yokoyama Т., Su S.-Y., Fukao S. Plasma blobs and irregularities concurrently observed by ROCSAT-1 and Equatorial Atmosphere Radar // J. Geophys. Res.
2007. V. 112. P. A05311.
11. Park J., Stolle C., Luhr H., et al. Magnetic signatures and conjugate features of low-latitude plasma blobs as observed by the CHAMP satellite // J. Geophys. Res.
2008. V. 113. P. A09313.
12. ftp://terras.gsi.go.jp/
13. Солнечная и солнечно-земная физика. Иллюстрированный словарь терминов. М.: Изд-во «Мир». 1980. С. 254.
14. Hofmann-Wellenhof В., Lichtenegger Н., Collins J. Global Positioning System: Theory and Practice / Springer-Verlag Wien. New York. 1992. 382 p.
15. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации М.: Эко-Трендз. 2000. 270 с.
16. Chen Z., Gao Y., Liu Z. Evaluation of solar radio bursts' effect on GPS receiver signal tracking within International GPS Service network // Radio Sci. 2005. V. 40. RS3012. doi: 10.1029/2004RS003066.
17. Klobuchar J.A., Kunches J.M., VanDierendonck A.J. Eye on the ionosphere: Potential solar radio burst effects on GPS signal to noise // GPS Solutions. 1999. V. 3, N 2. P. 69-71.
Отпечатано на множительном участке ИСЗФ СО РАН Заказ № 103 «1» июля 2010 г.
Объем 24 с. Тираж 200 экз.
Список рисунков.
Список обозначений и сокращений.
Введение.
Глава 1. Использование системы GPS в качестве инструмента для исследования верхней атмосферы Земли.
1.1. Мониторинг ионосферы с использованием искусственных спутников Земли.
1.2. Общие сведения о навигационной системе GPS.
1.3. Расчет направляющих углов луча «приемник-спутник».
1.4. Алгоритм расчета координат ионосферной и подионосферной точек.
1.5. Расчет ПЭС по данным GPS-приемников.
1.6. Преобразование в "вертикальное" ПЭС.
1.7. Область ионосферы, дающая основной вклад в вариации ПЭС.
1.8. Сети приемников GPS.
1.9. Глобальные карты ПЭС.
1.10. Модель магнитного поля земли IGRF-10.
Глава 2. Исследование зависимости относительной амплитуды вариаций
ПЭС от геомагнитной широты и возмущенности.
2.1. Возмущения ионосферной плазмы в различных регионах земного шара.
2.2. Метод расчета пространственного распределения относительной амплитуды вариаций ПЭС.
2.3. Зависимость относительной амплитуды вариаций ПЭС от геомагнитной широты при разных уровнях геомагнитной возмущенности.
2.4. Выводы к главе 2.
Глава 3. Влияние магнитно-ориентированных ионосферных неоднородностей на качество функционирования системы GPS.
3.1. Крупномасштабные магнитно-ориентированные неоднородности.
3.2. Методы детектирования крупномасштабных магнитно-ориентированных неоднородностей.
3.3. Детектирование крупномасштабных магнитно-ориентированных ионосферных неоднородностей на основе анализа сбоев сопровождения фазы на вспомогательной частоте.
3.4. Выводы к главе 3.
Глава 4. Влияние всплесков широкополосного солнечного радиоизлучения во время вспышек на функционирование системы GPS
4.1. Солнечные вспышки в ультрофиолетовом, рентгеновском и радиодиапазоне.
4.2. Методы обработки данных глобальной сети приемников GPS.
4.3. Отклик полного электронного содержания на солнечные вспышки в EUV диапазоне.
4.4. Статистика фазовых сбоев и пропусков отчетов сигнала GPS во время солнечных вспышек.
4.5. Анализ сбоев комбинированных приемников GPS и ГЛОНАСС.
4.6. Механизм сбоев измерений параметров сигналов GPS и ГЛОНАСС во время солнечных вспышек.
4.7. Выводы к главе 4.
Спутниковые радиотехнические системы активно используются в различных сферах человеческой деятельности. Современные средства спутниковой навигации и связи, в том числе глобальные навигационные системы GPS, ГЛОНАСС, работают на частотах дециметрового диапазона. В результате проведенных в последнее десятилетие исследований стало ясно, что на распространение радиоволн этого диапазона существенное влияние оказывает состояние околоземного космического пространства (возмущения на Солнце и в магнитном поле Земли, регулярная структура и динамика ионосферы, неоднородности ионосферной плазмы). В связи с этим проблемы воздействия различных факторов ОКП на функционирование спутниковых радиотехнических систем находятся сейчас в центре внимания научной общественности.
Известно, что на эффективность работы GPS оказывают значительное влияние ионосферные неоднородности, вызывающие искажение сигнала GPS [1]. Падение уровня сигнала, вследствие рассеяния, приводит к уменьшению отношения сигнал/шум, а, следовательно, к срывам сопровождения фазы несущей частоты и невозможности высокоточного позиционирования. Считалось, что такие явления типичны для экваториальной и авроральной областей, а во время главной фазы магнитных бурь — и для среднеширотных регионов [2, 3]. Однако, анализ сбоев функционирования системы GPS на плотных сетях станций позволил определить авторам [4], что и в спокойных геомагнитных условиях возможны серьезные нарушения функционирования системы, вызванные крупномасштабными неоднородностями даже на средних широтах. В статье [4] сообщается о регистрации многочисленных сбоев сопровождения сигналов на вспомогательной частоте f2 системы GPS. В это же время наблюдались большие временные градиенты полного электронного содержания (ПЭС). Авторы [4] считают, что это показательный пример проявления так называемых ионосферных пузырей (super bubbles) -вытянутых вдоль магнитного поля Земли областей пониженной электронной концентрации. Однако, если крупномасштабная неоднородность ионосферной плазмы вытянута вдоль магнитного поля (будем называть её «магнитно-ориентированная неоднородность»), то лучи проходящие через эту неоднородность вдоль, под углом и перпендикулярно магнитному полю будут распространяться в принципиально различных условиях, и у них должны наблюдаться разные искажения. Соответственно, стабильность приема сигнала в системе GPS для лучей разной ориентации будет различной. Однако, этот вопрос до сих пор подробно не исследовался. Поэтому изучение влияния ориентации луча «спутник-приемник» относительно магнитного поля на плотность сбоев в системе GPS является актуальной задачей. Детальный анализ зависимости плотности фазовых сбоев от угла между лучом «спутник-приемник» и направлением магнитного поля стал доступен после создания плотных региональных сетей приемников GPS, например, японской сети GEONET, начитывающей более 1200 станций.
Причиной срыва фазы несущей навигационного сигнала может стать не только уменьшение уровня сигнала, но и увеличение фонового уровня шумов из-за различных факторов. Одним из таких факторов могут быть всплески радиоизлучения, во время вспышек на Солнце. Следует отметить, что при разработке спутниковых радионавигационных систем GPS и ГЛОНАСС, помехи от солнечного радиоизлучения вообще не рассматривались как потенциальный источник снижения надежности приема сигнала. Так, в разделе «Помехозащищенность и электромагнитная совместимость СРНС» в монографии-справочнике [5] среди множества источников помех солнечное радиоизлучение не упоминается. 6 декабря 2006 г. произошла солнечная вспышка класса Х6.5. Усиление потока широкополосного солнечного радиоизлучения последовавшее за этой вспышкой превысило по интенсивности радиовсплески всех известных до- сих пор вспышек, как минимум, на два порядка. Это привело к сбоям в работе спутниковых радиосистем, в том числе навигационной системы GPS [б]. Чтобы оценить масштаб поражения всей системы GPS позиционирования, был необходим детальный анализ влияния вспышки 6 декабря 2006 г. на функционирование GPS в глобальном масштабе. Сделать это позволили общедоступные данные мировой сети станций GPS.
Таким образом, исследование влияния различных факторов, таких как широкополосное радиоизлучение Солнца, неоднородности ионосферной плазмы, геомагнитная возмущенность, геомагнитная широта, на распространение и прием сигналов GPS являются очень актуальными.
Предметом исследования в настоящей диссертации являются сбои сопровождения фазы несущей частоты сигнала GPS, вызванные мощным радиоизлучением Солнца и магнитно-ориентированными ионосферными неоднородностями, проанализированные на обширном статистическом материале.
Цель работы: Исследование влияния мощных всплесков солнечного радиоизлучения и ионосферных неоднородностей на распространение и прием сигнала GPS на основе анализа сбоев сопровождения фазы. Исследование морфологии относительных ионосферных вариаций полного электронного содержания, потенциально приводящих к срывам сопровождения сигнала в системе GPS.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1) Разработка методов, алгоритмов и программ для обработки большого массива данных приемников- GPS с целью анализа сбоев сопровождения фазы несущей частоты радиосигнала «спутник-приемник» GPS.
2) Создание специализированной базы данных глобальной сети приемников GPS, необходимой для изучения сбоев GPS и зависимости относительной амплитуды вариаций ПЭС от геомагнитной широты.
3) Исследование зависимости относительной амплитуды вариаций ПЭС от геомагнитной широты при разных уровнях геомагнитной возмущенности.
4) Исследование зависимости количества сбоев сопровождения фазы несущей частоты радиосигнала GPS от взаимного расположения луча «спутник-приемник» и направления магнитного поля на высоте ионосферы в присутствии крупномасштабных ионосферных неоднородностей.
5) Анализ зависимости сбоев сопровождения фазы несущей частоты радиосигнала «спутник-приемник» GPS от интенсивности широкополосного солнечного радиоизлучения.
6) Сравнение надежности работы во время всплесков солнечного радиоизлучения систем GPS и ГЛОНАСС.
Научная новизна исследования
1) Впервые, по данным большого количества приемников, получено статистически значимое экспериментальное свидетельство того, что во время наиболее сильных всплесков солнечного радиоизлучения GPS-позиционирование на освещенной стороне Земли временно парализуется.
Установлено, что ГЛОНАСС подвержена сбоям в меньшей степени. Показано, что высокий уровень фазовых сбоев на одной или двух частотах вызван влиянием аддитивного шума солнечного радиоизлучения.
2) Впервые по данным плотной сети станций GPS показано, что существенное увеличение количества сбоев сопровождения фазы несущей частоты в системе GPS наблюдается в присутствии крупномасштабных ионосферных неоднородностей при распространении радиосигнала под углами ~0° и -90° с магнитным полем Земли.
3) На основе анализа взаимного расположения луча «спутник-приемник» и направления магнитного поля на высоте ионосферы предложен метод выбора спутников, для минимизации возможности сбоев высокоточных фазовых измерений координат в системах GPS и ГЛОНАСС.
Достоверность результатов, представленных в диссертации, обусловлена использованием физически обоснованных методов анализа данных, современной модели магнитного поля Земли IGRF и представительной статистики экспериментальных данных GPS. Результаты работы находятся в качественном согласии с результатами исследований, опубликованных ранее другими авторами.
Практическая ценность работы. Полученные результаты и разработанные в диссертации методы могут быть использованы для корректировки алгоритмов выбора спутников в системах GPS, ГЛОНАСС, что приведёт к увеличению надежности систем, а так же для развития методов прогнозирования ошибок позиционирования в глобальных навигационных спутниковых системах.
Личный вклад автора
Основные результаты диссертации являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии.
Автору принадлежат:
1) Усовершенствование программного комплекса для обработки большого массива данных приемников GPS, а так же разработка пакета программ для визуализации и исследования сбоев определения навигационных параметров в системе GPS, вызванных ионосферными неоднородностями, вытянутыми вдоль магнитного поля.
2) Создание специализированной базы данных мировой сети приемников GPS.
3) Исследование относительной амплитуды вариаций ПЭС в зависимости от геомагнитной широты в различных геомагнитных условиях.
4) Исследование влияния магнитно-ориентированных неоднородностей ионосферной плазмы над территорией Японии на функционирование региональной сети станций GPS.
5) Комплексное исследование нарушения функционирования системы GPS вызванных всплесками широкополосного радиоизлучения во время солнечных вспышек. Сравнение устойчивости двух навигационных систем (GPS и ГЛОНАСС) к широкополосному солнечному радиоизлучению.
Апробация работы
Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на Международной Байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике (БШФФ-2007, БШФФ-2009), Иркутск; XIV International Symposium «Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics», Бурятия, 2007; International conference AIS-2008:
Atmosphere, ionosphere, safety, 2008, Калининград; XXII Всероссийской конференции «Распространение радиоволн», п. JIoo, Краснодарский край, 2008; 37th COSPAR Scientific Assembly, Montreal, Canada, 2008; URSI General Assembly, Chicago, USA, 2008; EGU General Assembly, Vienna, Austria, 2008; XV International Symposium «Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics», Красноярск, 2008; 12-th Ionospheric Effects Symposium, Alexandria, USA, 2008; шестой международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности", Санкт-Петербург, 2008; IV Всероссийской научной школе и конференции «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред», Муром, 2009; Седьмой всероссийской открытой ежегодной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», Москва, 2009; The IX-th Russian-Chinese Workshop on Space Weather, Irkutsk, 2009; Международной конференции «Солнечно-земная физика», Иркутск, 2010; семинарах отдела 1.00 ИСЗФ СО РАН.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Получено экспериментальное доказательство ухудшения качества функционирования системы GPS, вызванного мощными потоками широкополосного радиоизлучения Солнца во время вспышек. Показано, что система ГЛОНАСС характеризуется более высокой устойчивостью работы, чем GPS в аналогичных условиях.
2. Экспериментально установлено увеличение плотности сбоев сопровождения фазы вспомогательной частоты приемниками GPS, при распространении радиосигнала вдоль и поперёк магнитного поля, в присутствии неоднородностей ионосферной плазмы на средних широтах. При распространении сигнала вдоль магнитно-силовой линии в присутствии неоднородностей электронной концентрации для отдельных спутников доля приемников, не принимающих сигнал, может превышать 30%.
3. На большом статистическом материале подтверждена зависимость относительной амплитуды вариаций ПЭС от геомагнитной широты и возмущенности. В обоих полушариях наблюдается линейный рост средней относительной амплитуды вариаций ПЭС в 1.5 раза в области геомагнитных широт 30°-63°. На более высоких широтах (63°-75°) регистрируется резкий рост амплитуды в 10 раз. В возмущенных геомагнитных условиях происходит смещение границ указанных областей в экваториальном направлении (с 63° до 55° и с 75° до 70°, соответственно), а также общее увеличение амплитуды в 1.4 раза.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы, содержащего 80 ссылок. Общий объем диссертации 107 страниц, включая 28 рисунков.
4.7 Выводы по главе 4
По данным глобальной сети приемников GPS получено статистически значимое свидетельство того, что во время всплесков мощного широкополосного солнечного радиоизлучения 6 и 13 декабря 2006 г. на протяжении более 5-10 мин работа GPS на всей освещенной стороне Земли была частично парализована. Высокоточный режим позиционирования, для которого необходим уверенный прием сигнала на двух частотах GPS, был нарушен на подсолнечной стороне для 10-20% приемных станций GPS. При этом для 20-80% из числа этих станций отмечен срыв сопровождения сигналов GPS на обеих частотах, при котором позиционирование вообще невозможно. Аналогичные нарушения функционирования, но в меньшей степени, зафиксированы для системы ГЛОНАСС. Установлено заметное отличие уровня сбоев для различных спутников и типов приемников GPS.
Анализ возмущений полного электронного содержания, обусловленного возрастанием потока солнечного радиоизлучения в УФ диапазоне, показал, что отмеченные сбои функционирования не связаны с ростом интенсивности ионосферных неоднородностей, вызывающих мерцания сигналов GPS. Сбои GPS обусловлены прямым воздействием широкополосного солнечного радиоизлучения, уровень которого возрастает при увеличении зенитного угла Солнца и уменьшении угла возвышения луча на ИСЗ GPS.
Определен порог интенсивности потока солнечного радиоизлучения л
Fmin= Ю s.f.u., при котором фиксируются единичные сбои и пропуски отчетов при измерениях параметров сигналов GPS. Значение этого порога на порядок ниже, чем было установлено ранее.
Следует отметить, что помехи от солнечного радиоизлучения вообще не рассматривались ранее как потенциальный источник снижения помехоустойчивости систем GPS и ГЛОНАСС. Так, в разделе «Помехозащищенность и электромагнитная совместимость СРНС» в монографии-справочнике [5] среди множества источников помех солнечное радиоизлучение не упоминается.
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. Мы предлагаем использовать для оценки уровня радиопомех солнечного происхождения в диапазоне частот GPS-^OHACC-GALILEO непрерывные калиброванные данные измерений интегрального потока солнечного радиоизлучения, выполняемых на международной сети солнечных радиоспектрографов. С другой стороны, поскольку спектр солнечного радиоизлучения заведомо перекрывает диапазон частот современных широкополосных спутниковых радиотехнических систем навигации, связи и локации, мощные солнечные радиовсплески можно рассматривать как глобальный тест помехоустойчивости этих систем.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации получены следующие основные результаты:
1) Разработаны методы и программы для обработки большого объема данных приемников GPS, с помощью которых проведён анализ сбоев сопровождения фазы несущей частоты.
2) Проведено исследование зависимости относительной амплитуды вариаций ПЭС от геомагнитной широты и геомагнитной возмущенности. Определены широтные границы областей характерного поведения амплитуды в различных геомагнитных условиях. В обоих полушариях наблюдается линейный рост средней относительной амплитуды вариаций ПЭС в 1.5 раза в области геомагнитных широт 30°-63°. На более высоких широтах (63°-75°) регистрируется резкий рост амплитуды в 10 раз. В возмущенных геомагнитных условиях происходит смещение границ указанных областей в экваториальном направлении (с 63° до 53° и с 75° до 65°, соответственно), а также общее увеличение амплитуды в 1.4 раза.
3) Впервые по данным плотной сети станций GPS показано, что существенное увеличение количества сбоев сопровождения фазы несущей частоты в системе GPS наблюдается в присутствии крупномасштабных ионосферных неоднородностей при распространении радиосигнала под углами -0° и -90° с магнитным полем. Обнаружено, что при распространении сигнала вдоль магнитно-силовой линии в присутствии неоднородностей электронной концентрации для отдельных спутников доля приемников, не принимающих сигнал, может превышать 30%.
4) По данным глобальной сети приемников GPS получено статистически значимое свидетельство того, что во время мощных всплесков широкополосного солнечного радиоизлучения 6 и 13 декабря 2006 г. на протяжении более 5-10 мин работа GPS на всей освещенной стороне Земли была* частично парализована. Высокоточный режим* позиционирования, для которого необходим, уверенный прием сигнала на двух частотах GPS, был нарушен на подсолнечной стороне для 10-20% приемных станций GPS. При этом для 20-80% из числа этих станций отмечен срыв сопровождения сигналов GPS на обеих частотах, при котором позиционирование вообще невозможно. Установлено заметное отличие уровня сбоев для различных спутников и типов приемников GPS. Определен порог интенсивности потока солнечного радиоизлучения 10 s.f.u., при котором фиксируются единичные сбои и пропуски отчетов при измерениях параметров сигналов GPS. Значение этого порога почти на порядок ниже, чем было установлено ранее. Показано, что система ГЛОНАСС характеризуется более высокой устойчивостью работы, чем GPS в аналогичных условиях.
Благодарности
Автор искренне благодарит своего научного руководителя доктора физико-математических наук, профессора Афраймовича Эдуарда Леонтьевича.
Автор выражает признательность доктору технических наук, профессору Смолькову Геннадию Яковлевичу, за плодотворное сотрудничество, а так же за поддержку работы и автора в критические для него моменты.
Автор выражает искреннюю благодарность Переваловой Наталье Петровне за плодотворное сотрудничество, моральную поддержку, а так же неоценимую помощь в оформлении результатов и доведении работы до защиты.
Автор также благодарен своим коллегам и друзьям С.В. Воейкову, Н.С. Гаврилюк, Ю.В. Ясюкевичу, И.К. Едемскому, за помощь в работе, множество ценных замечаний и активное участие в дискуссиях.
Настоящая работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 07-05-00127-а, 08-02-90437-Укр, 10-05-00113-а), а также гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук МК-3094.2010.5.
1. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли // Иркутск: Изд-во ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН. 2006. 480 с.
2. Kintner P.M., Kil Н., and Е. de Paula. Fading time scales associated with GPS signals and potential consequences // Radio Science. 2001. V. 36. N 4. P. 731-743.
3. Afraimovich E.L., Lesyuta O.S., and Ushakov 1.1. Geomagnetic disturbances, and the GPS operation // Geomagnetism and Aeronomy. 2002. V.42. N2. C. 220-227.
4. Ma G., Maruyama T. A super bubble detected by dense GPS network at east Asian longitudes // Geophys. Res. Lett. L21103. doi: 10.1029/2006GL027512. 2006. 33.
5. Перов А.И., Харисов B.H. ГЛОНАСС: принципы построения и функционирования // М.: Радиотехника. 2005. 688 с.
6. Cerruti А.Р., Kintner P.M., Gary D.E., et al. Observed Solar Radio Burst Effects on GPS/WAAS Carrier-to-Noise Ration // Space Weather. 2006. V. 4. SI0006. doi: 10.1029/2006SW000254.
7. Webster A.R., Lyon G.F. The observation of periodic ionospheric disturbances using simultaneous Faraday and angle of arrival measurements // J. Atmos. Terr. Phys. 1974. V.36. P. 943-954.
8. Davies K. Recent progress in satellite radio beacon studies with particular emphasis on the ATS-6 radio beacon experiment // Space Science Review. -1980. V.25.N4. P. 357-430.
9. Afraimovich E.L., Minko N.P., Fridman S.V. Spectral and dispersion characteristics of medium-scale travelling ionospheric disturbances as deduced from transionospheric sounding data // J. Atmos. Terr. Phys. 1994. V.56.N11.P. 1431-1446.
10. Spoelstra T.A.Th. Combining TIDs observations: NNSS and radio interferometry data // J. Atmos. Terr. Phys. 1992. V.54. P. 1185-1195.
11. Jacobson A.R., Carlos R.C., Massey R.S.,Wu G. Observations of traveling ionospheric disturbances with a satellite-beacon radio interferometer: Seasonal and local time behavior // J. Geophys. Res. 1995. V.100. P. 16531665.
12. Titheridge J.E. The diffraction of satellite signals by isolated ionospheric irregularities // J. Atmos. Terr. Phys. 1971. V.33. P. 47-69.
13. Andreeva E.S., Galimov A.V., Kunitsyn V.E. et al. Radio tomorgaphic reconstruction of ionisation dip in the plasma near the Earth // J. Exp. Theor. Phys. Let. 1990. V.52. P. 145-148.
14. Куницын B.E., Терещенко Е.Д., Андреева E.C. Радиотомография ионосферы. М., Физматлит, 2007. 336 с.
15. Hofmann-Wellenhof В., Lichtenegger Н., Collins J. Global Positioning System: Theory and Practice. Springer-Verlag Wien. New York. 1992. 3271. P
16. Melbourne W.G., Davis E.S., Duncan C.B. et al. Report of the NASA: The application of spaceborne GPS to atmospheric limb sounding and global change monitoring // Jet Propulsion Laboratory Publication 94-18. Washington. 1994. 150 p.19,20
