Сбои при измерениях фазового и группового запаздывания сигналов GPS во время геомагнитных возмущений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи УДК 338.550.2

Ушаков Игорь Иванович

Сбои при измерениях фазового и группового запаздывания сигналов GPS во время геомагнитных возмущений

01.04.03 - Радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Иркутск - 2004

Диссертация выполнена в Иркутском военном авиационном инженерном институте

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Афраймович Эдуард Леонтьевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Афанасьев Николай Тихонович

кандидат физико-математических наук Засенко Владимир Ефремович

Ведущая организация:

НИИФ при Ростовском государственном университете

Защита состоится 19 мая 2004 г. в часов на заседании диссертационного совета Д.212.074.04 при Иркутском государственном университете по адресу: 664003, Иркутск, бульвар Гагарина, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Иркутского государственного университета.

Автореферат разослан апреля 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцент

Б.В. Мангазеев

Актуальность темы

Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) - американская GPS [14] и российская ГЛОНАСС [2] — стали в настоящее время мощным фактором мирового научно-технического прогресса и широко используются в различных направлениях человеческой деятельности, в том числе в решении ряда прикладных задач. В связи с этим большое внимание уделяется непрерывному совершенствованию систем СРНС, что невозможно без детального изучения надежности их функционирования и помехозащищенности, особенно при эксплуатации в экстремальных условиях (например, во время сильных геомагнитных возмущений).

Деградация радиосигналов и ухудшение качества функционирования СРНС во время возмущений околоземного космического пространства (ОКП) являются одними из важнейших факторов влияния космической погоды на эффективность работы спутниковых систем (наряду с другими факторами, такими, как электризация космических аппаратов, неравномерное торможение ИСЗ, пробои электроники ИСЗ высокоэнергичными частицами и т.д.). В системе GPS наиболее ярким проявлением этого фактора является наличие сбоев измерений фазового (cycle slips [12,15]) и группового запаздывания, связанных со срывом сопровождения сигнала (Lost of lock [12, 15]) при низком уровне отношения сигнал/шум.

Таким образом, задача исследования влияния нерегулярных изменений ОКП на эффективность функционирования спутниковых навигационных систем является актуальной.

При проведении подобных исследований требуются большие финансовые и временные затраты, направленные на создание полигонов, расположенных в различных районах земного шара, на изготовление больших партий приемников GPS-ГЛОНАСС различных типов, создание специальных программно-аппаратных средств и систем для обработки данных, получаемых с приемников СРНС.

Между тем, в мире существует и эксплуатируется глобальная сеть двух-частотных GPS приемников, данные с которых с временным разрешением 30 с. централизованно поставляются на сервер SOPAC [9] в стандартном формате RINEX [12], после чего они доступны для анализа и использования по сети Internet. Данная сеть непрерывно расширяется и к январю 2003 г. насчитывала более 1000 зарегистрированных приемников GPS, а сервер SOPAC содержит данные круглосуточных измерений приемников более, чем за семь лет [12,13]. Полученная таким образом база данных представляет собой уникальный материал для проведения исследований.

Известно несколько работ, в которых исследование эффективности системы GPS в экваториальной и авроральной зонах проводилось с помощью специальных приемников GPS [18, 5, 6,8,19, 20]. Недостатком этих работ является малая статистика данных.

В ИСЗФ СО РАН разработана технология и создан автоматизированный программный комплекс, предназначенный для глобального детектирования и

з

мониторинга ионосферных возмущений естественного и техногенного происхождения (GLOBDET), а также для исследований эффективности функционирования системы GPS в различных геофизических условиях [1]. С помощью данного комплекса появилась возможность устранения недостатков и пробелов предыдущих исследований.

С использованием комплекса GLOBDET в диссертации [3] были представлены результаты исследования зависимости относительной плотности сбоев только фазовых измерений в системе GPS от уровня возмущения магнитосферы Земли на примере 5 дней, полученные при совместной работе с автором настоящей диссертации. Недостатком работы [3] было отсутствие измерений-всего основного набора параметров сигнала GPS (необходим анализ не только фазового, но и группового запаздывания, пропусков отсчетов и т.д.). Кроме того, в работе [3] нет детального анализа причин сбоев измерений.

Целью настоящей диссертации является исследование влияния геомагнитных возмущений на измерения фазового и группового запаздывания сигналов навигационной системы GPS на основе многолетней статистики измерений глобальной сети двухчастотньх приемников GPS.

Предметом настоящей диссертации являются сбои измерений фазового и группового запаздывания сигналов GPS.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. создание набора данных сбоев измерений сигналов и вариаций полного электронного содержания (ПЭС), определенных по данным глобальной сети GPS за период 1998-2003 гг., необходимого для исследования зависимости относительной плотности сбоев измерений фазового и группового запаздывания в навигационной системе GPS от уровня возмущения ионосферы Земли;

2. получение статистики относительной плотности сбоев измерений фазы и дальномерного псевдослучайного Р-кода и С/А-кода в навигационной системе GPS в различных геофизических условиях;

3. изучение связи сбоев измерений фазового и группового запаздывания в системе GPS с изменениями характеристик спектра вариаций ПЭС на средних широтах и на границе авроральной зоны, полученными при трансионосферном зондировании сигналами GPS, а также с локальными характеристиками ионосферы по данным радаров некогерентного рассеяния (Иркутск, Millstone НШ) и цифрового ионозонда DPS-4 (Иркутск).

Научная новизна исследования:

1. На основе многолетней статистики данных глобальной сети GPS впервые установлено, что во время магнитных бурь на средних широтах заметно возрастает относительная плотность сбоев измерений фазового и группового запаздывания сигналов навигационной системы GPS независимо от типа приемника

2. Впервые показано, что на средних широтах спектры вариаций полного электронного содержания в диапазоне периодов от 2 с. до 20 мин имеют степен-

ной вид, а при геомагнитном возмущении изменяется амплитудный масштаб (до 20 раз) и наклон спектра (с к = -1,19 до к = -3,06). 3. Впервые показано, что во время магнитных бурь перемещение аврорального овала на средние широты сопровождается увеличением плотности сбоев измерений фазового и группового запаздывания сигналов навигационной системы GPS.

Достоверность результатов:

Достоверность результатов, описанных в диссертации, подтверждается исследованиями, проведенными в предложенных методах, их проверкой в экспериментах, а также представительной статистикой наблюдений. Полученные в экспериментах физические характеристики находятся в качественном и количественном согласии с результатами независимых исследований, опубликованными ранее другими авторами.

Практическая ценность работы:

Практическая ценность диссертации состоит в том, что полученные результаты и разработанные методы могут быть использованы для создания модели влияния возмущений ионосферы на функционирование навигационных систем GPS и ГЛОНАСС. Результаты работы могут быть использованы в навигационных задачах определения местоположения объектов различного назначения.

Личный вклад автора:

Основные результаты работы являются оригинальными и получены лично автором или при его непосредственном участии.

Автор принимал непосредственное участие в:

1) изучении относительной плотности сбоев фазового запаздывания в навигационной системе GPS в различных геофизических условиях;

2) изучении влияния изменения спектральных характеристик вариаций ПЭС на сбои измерений в системе GPS;

3) изучении связи динамики авроральной активности и сбоев измерений фазового запаздывания в системе GPS.

Автору принадлежат результаты исследований:

1) относительной плотности сбоев измерений группового запаздывания, определенных по псевдослучайному Р-коду и С/А-коду в навигационной системе GPS для основных типов приемников GPS и в различных геофизических условиях;

2) связи сбоев измерений фазового и группового запаздывания в системе GPS и распределения абсолютных значений вертикального полного электронного содержания (по данным IONEX);

3) качественной степени связи сбоев измерений фазового и группового запаздывания в системе GPS и явления обратного эха УКВ сигналов радаров некогерентного рассеяния (Иркутск, Millstone Hill);

4) качественной степени связи сбоев измерений фазового и группового запаздывания в системе GPS и явления блэкаута сигналов ионозонда DPS-4 (Иркутск).

Апробация работы:

Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались: на Байкальской научной молодежной школе по фундаментальной физике БШФФ-00 "Астрофизика и физика микромира", Иркутск, 2000; European Geophysical Society, XXVI General Assembly, Nice, France, 2001; The International Union of Radio Science, International Beacon Satellite Symposium, Boston, 2001; A Workshop on Space Weather Effects on Communication and Navigation Signals, Boston, 2001; на VII Международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь", Воронеж, 2001; VIII Объединенном международном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы", Иркутск, 2001; Всероссийской конференции по физике солнечно-земных связей, Иркутск, 2001; XX Всероссийской конференции по распространению радиоволн, Нижний Новгород, 2002; ГХ Международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь", Воронеж, 2003; Всероссийской конференции "Дистанционное зондирование поверхности земли и атмосферы", Иркутск, 2003, а также на семинарах в ИВАИИ, ИСЗФ СО РАН и на физическом факультете Иркутского госуниверситета.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Статистические данные сбоев измерений фазового и группового запаздывания GPS и вариаций полного электронного содержания, охватывающие как спокойные, так и возмущенные ионосферные условия не только на экваторе и в полярной области, но и на средних широтах.

2. Во время магнитных бурь возрастает относительная плотность сбоев измерений фазового и группового запаздывания сигналов навигационной системы GPS независимо от типа приемника. Уровень сбоев для GPS приемников, расположенных на подсолнечной стороне Земли, в 5-10 раз больше, чем на противоположной стороне Земли.

3. Во время магнитных бурь перемещение аврорального овала на средние широты сопровождается увеличением плотности сбоев измерений фазового и группового запаздывания сигналов навигационной системы GPS.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического указателя, содержащего 96 ссылок. Общий объем диссертации -170 страниц, включая 23 таблицы и 50 рисунков.

Краткое содержание работы:

Во введении дана общая характеристика работы, отражена актуальность ее темы, сформулированы цели диссертации и решаемые задачи, приведено краткое содержание диссертации.

В первой главе, в разделе 1.1 приводятся общие сведения о спутниковой радионавигационной системе GPS. Приведены сведения о составе навигационной системы GPS. Дана структура навигационных радиосигналов GPS и принцип функционирования GPS.

В разделе 1.2 дается обзор наиболее известных работ по влиянию возмущений окружающего космического пространства на качество функционирования системы GPS.

Во второй главе описана методика эксперимента, проведенного в диссертации.

В разделе 2.1 приводятся общие сведения о глобальной сети двухчастот-ных приемников GPS.

Для настоящего исследования были использованы доступные по сети Internet данные глобальной сети приемных станций GPS, при этом геометрия эксперимента для всех событий была практически подобной. Информацию о координатах станций можно получить по электронному адресу http://lox.ucsd.edu/cgi-bin/allCoords.cgi?.

В разделе 2.2 приведена методика определения значения полного электронного содержания вдоль луча «спутник - приемник» па основе фазовых измерений двухчастотного навигационного сигнала СРНС.

Известно, что при распространении радиосигнала через ионосферу возникает дополнительное групповое (фазовое) запаздывание (ионосферная задержка), величина которого пропорциональна полному электронному содержанию вдоль траектории распространения радиоволны:

где f - несущая частота радиосигнала, с - скорость света, ПЭС - полное электронное содержание в единицах TECU (1016 м-2). Так, при частоте f = 1,6 ГГц (верхняя рабочая частота СРНС), величине ПЭС, равной 1 TECU, соответствует ионосферная задержка At,а, = 0,542 не и приращение группового (фазового) пути ARim = 0,162 м.

В разделе 2.3 описывается структура и функционирование разработанного в ИСЗФ комплекса глобального GPS-детектора ионосферных возмущений GLOBDET, который применяется в диссертации для исследований эффективности функционирования системы GPS в различных геофизических условиях.

В разделе 2.4 описана методика обработки данных глобальной сети двух-частотных приемников GPS с целью получения средних спектров ПЭС и анализа сбоев, возникающих в работе GPS приемников.

Для анализа был выбран 41 день периода 1999-2003 гг. со значениями индексов возмущения геомагнитного поля Dst от 0 до -300 нТл и Кр от 2 до 9. Из них 6 геомагнитоспокойных дней, 17 дней со слабой геомагнитной возму-щенностью и 12 сильных магнитных бурь.

В выходном файле приемника содержатся следующие данные: задержка фазы сигнала на основной частоте L1; задержка фазы сигнала на вспомогательной частоте L2; задержка грубого псевдослучайного кода на основной частоте С1; задержка точного псевдослучайного кода на основной частоте PI; задержка точного псевдослучайного кода на вспомогательной частоте Р2.

Значения задержки фазы сигнала на основной частоте L1 и на вспомогательной частоте L2 необходимы для вычисления значения ПЭС I(t), которое

7

мы используем в качестве косвенного показателя качества измерений фазового запаздывания сигналов в системе GPS:

где fi,2 - несущая частота радиосигнала, Xj^ - длина волны радиосигнала, Lt 2 - число полных оборотов фазы радиосигнала, const — неоднозначность фазовых измерений, о<р - ошибка измерения фазы на частотах и f2-

При приеме сигнала GPS возможны сбои, обусловленные срывом слежения фазы сигнала как на первой, так и на второй частоте.

Мы фиксируем срыв измерения разности фаз L1-L2 (сбой режима L1-L2), когда модуль вычисленной разности значений ПЭС за интервал времени 30 с. (стандартный для представленных в Internet данных GPS) превышает заданный порог порядка 200 TECU, в несколько раз превышающий суточные вариации

Аналогично, но с условным порогом 1000000 оборотов фазы, выбранным с учетом меняющегося со временем расстояния до ИСЗ, фиксируется срыв измерения фазы сигнала на основной частоте L1 (сбой режима L1).

Под сбоем в режиме Р1/Р2 будем понимать такие события, когда в выходном файле приемника одновременно отсутствуют значения задержки точного псевдослучайного кода на основной частоте Р1 и на вспомогательной частоте Р2.

Сбои в режиме Р1 и С1 фиксируются, когда отсутствуют значения задержки грубого псевдослучайного кода на основной частоте С1 и точного псевдослучайного кода на основной частоте Р1 соответственно. В этом случае вообще невозможно измерить дальность до ИСЗ. Режим работы приемника С1 является основным для всех приемников. Программное обеспечение приемников GPS позволяет заменить значениями псевдодальности С1 данные кодовых измерений дальности при расчете координат.

Кроме того, в настоящей работе используется и такой показатель качества системы GPS, как число пропусков. Пропуск - это отсутствие всей 30-с. эпохи и всех значений временных задержек (LI, L2, Cl, PI, P2) в выходном файле приемника.

Результатом обработки явилось количество сбоев S в каждом анализируемом режиме измерений (L1 - L2; LI; P1/P2; PI; C1) в выбранном интервале времени 5 мин, а также соответствующее количество наблюдений М, необходимое для нормировки данных. Эти данные для каждого ИСЗ GPS усреднялись по всем станциям, что позволяло вычислить среднюю плотность наблюдений M(t) и среднюю плотность сбоев S(t). В среднем плотность наблюдений M(t) пролетов ИСЗ равна 10 ±1 отсчетам; в начале и в конце пролета она может уменьшаться из-за того, что интервалы времени наблюдения данного ИСЗ под углами места больше заданного значения на различных станциях не совпадают.

1(0 =

.7

I_

40.308 f2_ Ч

ПЭС.

Далее мы вычисляем среднюю относительную плотность сбоев P(t) = и определяем максимальное значение Ртах.%» а также среднесуточное значение <Р>.

В третьей главе представлены результаты исследования зависимости относительной плотности сбоев измерений фазового и группового запаздывания сигнала навигационной системы GPS от уровня возмущения магнитосферы Земли.

В разделе 3.1 приведена статистика сбоев измерений фазового и группового запаздывания сигнала навигационной системы GPS в магнитоспокойные

ДНИ.

Как видно из рис. 1, б в магнитоспокойный день на средних широтах сбои фазовых измерений навигационной системы GPS носят спорадический характер. Среднее по всем ИСЗ и станциям GPS среднесуточное значение относительной плотности сбоев <Р> для магнитоспокойного дня 29 июля 1999 г. оказалось равным 0,006 %. Подобные данные получены и для высоких широт (рис. ha).

Однако в экваториальной зоне даже в магнитоспокойный день плотность фазовых сбоев превышает среднеширотное значение P(t) как минимум в 9 раз с максимальным значением 0,16 % (рис. 1, в), это согласуется с результатами [18, 6].

При одночастотном режиме работы, на основной частоте L1 (рис. 1, г, 1, ду 1, е) сбоев фазовых измерений навигационной системы GPS не зафиксировано. Можно предположить, что сбои измерения разности фаз L1-L2, скорее всего, вызваны высоким уровнем сбоев на вспомогательной частоте L2, так как амплитуда сигнала на частоте L2 в 10 раз меньше, чем амплитуда сигнала на частоте L1 [14,15].

Далее в разделе приведена статистика относительной плотности сбоев фазовых и кодовых измерений в навигационной системе GPS для основных типов двух частотных приемников (фирмы ASHTECH, TRIMBLE, AOA), которыми оборудованы пункты глобальной сети GPS. Показано, что относительная плотность сбоев для различных типов приемников, работающих в одном режиме, различна. Это может быть обусловлено как различием технических характеристик приемников, так и параметров их настройки.

Анализируя эти данные, можно с большой уверенностью констатировать, что в геомагнитоспокойные дни сбои измерений фазового и группового запаздывания сигнала навигационной системы GPS весьма редки, носят спорадический характер и не обусловлены изменениями геомагнитной обстановки.

В разделе 3.2 приведена статистика сбоев измерений фазового и группового запаздывания сигнала навигационной системы GPS во время больших магнитных бурь.

Проиллюстрируем это на примере большой магнитной бури 15-16 июля 2000 г. Для этой бури можно отметить четко выраженный эффект резкого увеличения плотности сбоев во всех режимах работы спустя 2-4 часа после внезапного начала (SSC).

0.012 0.008 -0.004 -0.000

P(t),%

29 июля 1999 г.; 200-300° Е. L1-L2; L1;

50ч-80° N

п=312

0.012

0.008 -0.004 -0.000

п=312

0.016

п=867

30-ь500 N

0.016 /0 0.012 0.008 -0.004 -0.000

0.16

п=290

30» N4-30° N

в о.1б W/o 0.12 0.08 -0.04 : 0.00

0' 6 12 18 24 Время, UT

Д

1 I 1 I 1 I 1 I

0 6 12 18 24' Время, UT

Рис. 1. Зависимости от ИТ относительной средней плотности сбоев фазы P(l), полученные при усреднении данных всех ИСЗ для магнитоспокойного дня 29 июля 1999г в диапазоне долгот 200-30<f Е и интервале широт 50+8(Р N, 30+5(f N, -30+3(fN, панели а, о, в -двухчастотного режима работы; панели г, д, е — одночастотного режима работы независимо от типа приемников CPS

На рис. 2, д приводятся вариации Н-компоненгы геомагнитного поля на станции Boulder (40,14° N, 254,74° Е), зарегистрированные во время магнитной бури 15-16 июля 2000 г Момент времени SSC отмечен пунктирной вертикальной чертой.

Вариации относительной средней плотности сбоев P(t) в зависимости от UT, полученные во время этой бури на средних широтах Северной Америки

10

при усреднении данных приемников Ashtech для режима CI, приведены на рис. 2, е, режима Р1/Р2 - на рис. 2, ж, а режима L1-L2 - на рис. 2, з. Четко прослеживается геомагнитный контроль увеличения плотности сбоев во всех режимах измерения дальности. При резком увеличении значений H(t) через 2-3 часа во всех режимах измерений дальности увеличивается относительная плотность сбоев P(t). Восстановление геомагнитной обстановки приводит к тому, что плотность сбоев P(t) принимает среднесуточное значение.

Аналогичные данные для магнитной бури 6-7 апреля 2000 г. представлены на рис. 2, б, 2, в, 2, г. И в этом случае при резких и глубоких изменениях напряженности магнитного поля (см. вариации Н-компоненты геомагнитного поля на станции Boulder на рис. 2, а) во всех режимах измерений дальности увеличивается относительная плотность сбоев.

В диссертации впервые показано, что во время больших магнитных бурь относительная плотность сбоев измерений фазового и группового запаздывания сигнала навигационной системы GPS на средних широтах превышает соответствующий показатель для магнитоспокойных дней как минимум на один-два порядка, достигая единиц процентов от общей плотности наблюдений. При этом уровень сбоев для GPS приемников, расположенных на подсолнечной стороне Земли, в 5-10 раз больше, чем на противоположной стороне Земли. Сбои двухчастотных кодовых измерений Р1/Р2, как и фазовых L1-L2, обусловлены высоким уровнем сбоев измерений Р2 (и L2) на вспомогательной частоте.

В разделе 3.3 рассмотрена зависимость относительной плотности сбоев измерений фазового запаздывания сигнала системы GPS от значения индекса Dst.

На рис. 3 представлена зависимость плотности сбоев измерений фазы от индекса Dst, полученная для всех ИСЗ в диапазоне широт 30+50° N и долгот 200+300° Е независимо от типов приемников GPS для 35 суток 1999-2001 гг. с различным уровнем геомагнитной возмущенности; п - количество среднечасовых значений Р. Данные относительной плотности сбоев измерения фазы, сглаженные полиномом 2-й степени, представлены на рис. 3 в виде кривой. Следует отметить увеличение средней относительной плотности сбоев фазы при усилении уровня геомагнитной возмущенности. Среднее значение Р для слабовозмущенного (-50 нТл) и геомагнитновозмущенного (-300 + -320 нТл) периодов составило 0,6 % и 2-2,5 %, соответственно.

В диссертации на большом статистическом материале показано, что в магнитоспокойный день на средних широтах сбои носят спорадический характер. Для геомагнитновозмущенного периода можно отметить четко выраженный эффект резкого увеличения плотности сбоев измерения фазы. Статистически значимая зависимость P(Dst), полученная в данной работе, позволяет оценить работоспособность системы GPS. Заметим, что значения Р получены для трасс, находящихся в различных геофизических условиях. Поэтому необходим учет такого рода условий, который возможен при одновременном рассмотрении данных GPS по отношению к динамике всего геофизического комплекса, особенно к динамике аврорального овала (раздел 4.5).

Dst, нТл

Рис.3. Зависимость плотности сбоев измерений фазы от индекса Dst, полученная для всех ИСЗ в диапазоне широт 30-5(f N и долгот 200-ЗйиЕ независимо от типа приемников GPS для 35 суток 1999-2001 гг. с различнымуровнем геомагнитной возмущенности.

В разделе 3.4 дано сравнение полеченных в диссертации результатов с результатами работ других авторов.

В четвертой главе анализируется влияние изменений ПЭС ионосферы на сбои измерений фазового запаздывания сигнала навигациопной системы GPS.

В разделе 4.1 рассмотрены основные ионосферные эффекты трансионосферного распространения радиоволн на трассе «Земля-космос». Представлен обзор соответствующих ионосферных явлений со ссылкой на новые источники информации.

В разделе 4.2 рассмотрена связь сбоев измерений в системе GPS и распределения абсолютных значений вертикального полного электронного содержания (по данным IONEX).

Полученные в данном разделе результаты свидетельствуют о том, что в областях с максимальным значением вертикального ПЭС наблюдаются максимальные значения относительной плотности сбоев дальномерных измерений навигационной системы GPS.

Радиоволны, проходящие через ионосферу, испытывают рассеяние на не-однородностях электронной концентрации, интенсивность которых пропор-

циональна значению фоновой электронной концентрации, при увеличении которой растет и ПЭС. Поэтому в области с повышенным значением ПЭС флуктуации фазы и амплитуды сигнала намного сильнее, что приводит к росту числа сбоев фазовых измерений навигационной системы GPS в данном регионе.

В разделе 4.3 рассмотрена связь амплитуды вариации полного электронного содержания A(t) в диапазоне периодов 20-60 мин и 2-10 мин и сбоев измерений фазы GPS для одних и тех же станций и интервалов времени.

Программный комплекс GLOBDET позволяет отобрать ряды данных ПЭС, которые не содержат срывы фазы. В результате обработки мы получаем региональный индекс степени возмущения А, который равен среднему значению среднего квадратического отклонения (с.к.о.) вариаций ПЭС в диапазоне периодов 20-60 мин и 2-10 мин. Оценка амплитуды вариаций ПЭС в диапазоне периодов 20-60 мин и 2-10 мин производилась путем регионального пространственного усреднения данных сети GPS. Зависимости A(t) получены путем усреднения по п трассам «спутник - приемник» вариаций ПЭС для интервалов времени длительностью 2,5 часа со сдвигом 1 час.

Для рассмотрения связи амплитуды вариации ПЭС A(t) и сбоев измерений фазы GPS была проанализирована сильная магнитная буря 31 марта 2001 г. (рис. 4).

Как видно из рис. 4, ж, з зависимости P(t) хорошо коррелируют со значениями A(t) для западного сектора (200*300° Е) земной поверхности.

На рис. 4, в, г, показаны те же зависимости, но для восточного сектора (0+180° Е). Корреляция P(t) с рядами A(t) для восточного сектора не обнаружена.

Интенсивность вариаций ПЭС на ночной стороне Земли в 5-6 и 2-6 раз больше, чем на дневной стороне для диапазона периодов 20-60 мин и 2-10 мин, соответственно.

Обнаруженная в работе высокая положительная корреляция роста плотности фазовых сбоев P(t) и интенсивности A(t) вариаций ПЭС во время геомагнитных возмущений указывает на то, что возможной причиной возрастания сбоев измерений является рассеяние сигнала GPS на ионосферных неоднород-ностях. При этом увеличивается и продолжительность интервалов времени, когда уровень сигнала становится ниже уровня помех, что вызывает срыв сопровождения сигнала, однако для более мощного сигнала L1 [14, 15] продолжительность таких интервалов на порядок меньше, чем для менее мощного сигнала L2.

31 марта 2001 г. 30 - 60° N, 0 + 180° Е. 30 + 50° N, 200 + 300° Е

Н, нТл dDst/dt, нТл/ч 250 -1

Н, нТл dDst/dt, нТл/ч

-250 Ч -SOO

Ч Ч 1 I 1

4

-О

-4 1 --8 -12

Ф°мин

А, 10 14 м"2

80 60 -40 -20 -О

j^X-

Ч Ч Ч ' I

Р, % L1-L2 п=1898

б.

п-4150

В

I ч ч ч О 6 12 18 24 Время, UT

ф М11Н I

72 -л 68 -64 -60 -56 -52

АЬи

I ч ч ч

А, 10 14 м'2 100—1

п-5122

п=2381

L1-L2

1.61.20.80.40

ч ч ч ч

О б 12 18 24 Время, UT

Ж'

Рис. 4. Илиострацияувеличения плотности фазовьк сбоев приемников GPS во время магнитной бури 31 марта 2000г. в восточном (слева) и западном (справа) полушарии Земли

В разделе 4.4 предпринята проверка гипотезы о роли геомагнитных возмущений как фактора, определяющего характеристики спектра мощности вариаций ПЭС.

Одним из важнейших представлений о природе и динамике ионосферных неоднородностей является волновая концепция, согласно которой наблюдаемая неоднородная структура ионосферы есть результат суперпозиции волновых процессов различного происхождения. Поэтому большое значение в теоретиче-

15

ских и экспериментальных исследованиях имеют спектральные характеристики, которые позволяют выделить неоднородности различных масштабов

Основной вклад в амплитудные флюктуации сигнала при трансионосферном зондировании вносят искривления фазового фронта, обусловленные неоднородностями размером порядка радиуса первой зоны Френеля р = (Хг)"0 5, где X - длина волны проходящего излучения, г - эффективное расстояние до слоя. Мелкомасштабные неоднородности электронной концентрации в ионосфере, вызывающие наиболее сильные мерцания сигналов GPS, имеют размеры порядка 150-250 м. С появлением в Internet данных нескольких станций глобальной сети двухчастотных приемников GPS с временным разрешением 1 с. появилась возможность уменьшить минимальный анализируемый период вариаций ПЭС до величины 2 с, соответствующей периоду неоднородностей электронной концентрации с размером 150-250 м.

Для вычисления единичного (парциального) спектра S(F) вариаций ПЭС выбирались непрерывные ряды измерений I(t) длительностью не менее одного часа, что позволяет получить удобное для используемого нами алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ) число отсчетов, равное 2048.

На примере относительно спокойной и магнитовозмущенной ионосферы изложим кратко последовательность процедур обработки данных. На рис. 5, а приведен пример типичной слабовозмущенной зависимости "вертикального" ПЭС I(t) для GPS станции Okir (67,87° N; 21,06° Е) для 8 января 2000 г. с 06 до 07 UT. Одновременно приведено Dst для этого часового интервала. Для этого же ряда на рис. 7, 6даны вариации dl(t), отфильтрованные из ряда I(t) путем удаления тренда с временным окном-60 мин.

Логарифмический спектр мощности lgS2(F) ряда dl(t), полученный с применением стандартной процедуры БПФ, дан на рис. 5, в. На оси абсцисс рис. 5, в (и рис. 5, е) приведены также шкалы временных периодов Т и характерных масштабов Л неоднородностей ПЭС, полученные для средней скорости их перемещения 100 м/с.

Кардинальные изменения спектра вариаций ПЭС произошли в магнито-возмущенный день. На рис. 5, г приведена временная зависимость возмущенного значения "вертикального" ПЭС I(t) для станции Vcap (44,26° N; 287,41° Е) 29 мая 2003 г. для интервала 23:00-24:00 UT. Одновременно приведено Dst для этого часового интервала. Для этого же ряда на рис. 5, д даны вариации dl(t), отфильтрованные из ряда I(t) путем удаления тренда с окном 60 мин. Как видно из рис. 5, д и соответствующего спектра lgS'(F) - рис. 5 е, мощность вариаций ПЭС возросла как минимум па 2 порядка по сравнению с интервалом 06:0007.00 UT 8 января 2000 г (рис. 5, б и 5, «). Сильному изменению подвержен и наклон спектра. для 8 января 2000 г. наклон спектра меняется до

для 29 мая 2003 г. Данные результаты свидетельствуют о том, что спектр неоднородностей ПЭС имеет степенной вид, а изменение уровня геомагнитной возмущенности сказывается на амплитудном масштабе и наклоне спектра Амплитудный масштаб возрастает в 20 раз, а наклон спектра изменяется с к = -1,19 до к = -3,06.

В разделе 4.5 рассмотрена связь сбоев фазовых далъномерных измерений приемников GPS и динамики аврорального овала.

Данные спутника NOAA-15 по авроральному овалу для геомагнитовоз-мущенных суток получены по адресу http://sec noaa gov/pmap/pmapN html Общий объем данных GPS, анализируемых в данном исследовании, превышает 105 30 с. наблюдений.

На рис. 4, д для магнитной бури 31 марта 2001 г. в западном секторе представлены вариации горизонтальной компоненты магнитного поля H(t) (панель д, толстая кривая), полученные на магнитной станции Boulder, и временная производная Dst индекса (тонкая кривая); широтная южная граница <рИш(0 аврорального овала (рис. 4, е). Положение южной границы аврорального овала для долготы 288° Е определялось по уровню мощности потока частиц 0,1 эрг/см2с с точностью 1°. Кривая на рис. 4, е сглажена полиномом 10-й степени (жирная пиния).

Приводимые ниже зависимости A(t) (рис. 4, ж - тонкая кривая для диапазона периодов 2-10 мин, толстая кривая — 20-60 мин) получены путем усреднения вариаций ПЭС для интервалов времени длительностью 2,5 часа со сдвигом 1 час.

На рис. 4, а показаны те же зависимости, что и на рис. 4, д, но для восточного сектора (0-180° Е). Оценка положения южной границы аврорального овала проводилась для долготного диапазона 102-104° Е. Данные горизонтальной компоненты магнитного поля для восточного сектора получены на магнитной обсерватории Иркутска (52.20° N; 104.30° Е).

Как видно из рис. 4, б, в, г и рис. 4, е, ж, з, зависимости P(t) хорошо коррелируют с зависимостями <Рыия(0> A(t). Минимальное значение широты южной границы аврорального овала запаздывает на 2-4 часа по отношению к максимальным значениям A(t) и P(t). Запаздывание максимального значения амплитуды вариаций ПЭС в диапазоне периодов 20-60 мин и 2-10 мин относительно минимума временной производной Dst составляет 2 часа.

Таким образом, при расширении аврорального овала на средние широты расширяется и область ионосферы с развитой среднемасштабной структурой. Неоднородности ПЭС, характерные для данной области, вызывают искажения радиосигналов и сбои в работе GPS. Это согласуется с результатами работы [18].

В разделе 4.6 представлено сравнение результатов экспериментальных исследований возникновения и развития неоднородностей ПЭС малых масштабов в среднеширотной ионосфере во время больших геомагнитных возмущений с помощью иркутского радара HP, полученных в ИСЗФ СО РАН с данными ио-нозонда и GPS.

На иркутском радаре НР [4] накоплено значительное количество данных по наблюдению когерентного эхо за период 1998-2003 гг. Зарегистрировано несколько событий, связанных с наблюдением когерентного эхо во время магнит-

ных бурь, имеющих продолжительность от нескольких минут до нескольких часов.

ВЧ-ионозонд [16] расположен на расстоянии 100 км от радара HP и позволяет проводить одновременную диагностику состояния ионосферы в этом регионе методами вертикального, наклонного и возвратно-наклонного зондирования.

" Основным механизмом генерации неоднородностей рассматриваемых масштабов считаются двухпотоковая неустойчивость [10, 7] и градиентно-дрейфовая неустойчивость [17]. Основным условием возникновения подобных неоднородностей является наличие сильного ион-электронного дрейфа со скоростями порядка или больше скорости ионного звука. Поскольку в экваториальных и полярных широтах подобные условия реализуются достаточно часто (экваториальная электроструя и полярный кольцевой электроджет), то и большая часть наблюдений когерентного эхо приходится именно на эти широты.

Однако необходимые для генерации условия могут возникать и в сред-неширотной ионосфере во время больших геомагнитных возмущений [11] или при возникновении спорадических слоев, характеризующихся резкими градиентами электронной концентрации и появлением тяжелых металлических ионов [21].

Во время геомагнитных возмущений иркутский радар HP позволяет производить исследование Е-слоя (область высот 100-120 км) по данным обратного рассеяния на неоднородностях Е-слоя, вытянутых вдоль магнитного поля Земли [4]. При этом диагностика F-слоя методом HP производится главным лепестком диаграммы направленности антенны, а исследование Е-слоя методом обратного рассеяния (ОР) - нижними боковыми лепестками. Мощные сигналы ОР принимались боковыми лепестками диаграммы направленности радара с северного направления, где выполняется условие перпендикулярности линий геомагнитного поля и направления излучения. Геометрия эксперимента такова, что неоднородности Е-слоя, дающие вклад в рассеянный сигнал, расположены на расстоянии 550-1100 км к северу от радара Обычно подобные неоднородности наблюдаются в среднеширотной ионосфере во время больших геомагнитных возмущений.

В разделе показано, что временные интервалы увеличения относительной плотности сбоев фазовых измерений системы GPS на трех станциях Восточной Сибири совпадают с интервалами времени наблюдения когерентных эхо иркутским радаром HP. Такой же результат получен и на западном полушарии на радаре HP в Millstone Hill [8]. Показано также, что временные интервалы увеличения относительной плотности сбоев фазовых измерений системы GPS на станции Irk (Иркутск) совпадают с интервалами времени наблюдения блекаута иркутским ионозондом.

Далее в разделе приведены наиболее интересные данные, полученные во время мощнейших магнитных бурь 28-31 октября и 1-2 ноября 2003 г. Нам представилась возможность сравнить данные экспериментальных исследований возникновения и развития неоднородностей малых масштабов в среднеширот-

ной ионосфере, полученных с помощью иркутского радара HP, с данными ио-нозонда и GPS одновременно.

Характерный масштаб неоднородностей, ответственных за сигнал обратного рассеяния радара HP, порядка 1 м, а для эффективного рассеяния сигнала GPS необходимы интенсивные неоднородности с размером порядка 150 м (если неоднородности расположены в слое Е) и 250 м (для неоднородностей в максимуме слоя F). С другой стороны, известно, что спектр ионосферных неоднородностей в подавляющем числе случаев имеет степенной вид (см. разд. 4.4, рис. 5). Это означает, что во время возмущения пропорционально возрастает амплитуда неоднородностей всего диапазона масштабов - от метровых до километровых и более. Поэтому, если реализуются условия генерации интенсивных метровых неоднородностей, то возможно и появление неоднородностей с размерами сотни метров, вызывающих интенсивное рассеяние сигнала GPS. Одновременно растет и поглощение радиоволн, что регистрируется на ионозонде как явление блэкаута.

Область повышенной интенсификации мелкомасштабных неоднородно-стей может иметь большой пространственный масштаб (сотни и тысячи км) и перемещаться вслед за равномерно перемещающейся или пульсирующей авро-ральной зоной. Поэтому интервалы времени, когда наблюдаются эффекты рассеяния сигналов GPS и HP, могут не совпадать, поскольку соответствующие неоднородности появляются в поле зрения различных средств диагностики в разное время, обусловленное пространственным разнесением области чувствительности приборов и скоростью перемещения границы овала (порядка сотен м/с).

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации:

1. Создан набор данных сбоев дальномерных измерений в системе GPS и вариаций полного электронного содержания, определенных по данным глобальной сети GPS за период 1999-2003 гг. для более 300 станций, необходимый для исследования зависимости относительной плотности сбоев дально-мерных измерений в навигационной системе GPS от уровня возмущения ионосферы Земли. Общий объем данных GPS, анализируемых в диссертации, превышает 220000 30 с. наблюдений.

2. Установлено, что во время магнитных бурь на средних широтах одновременно с усилением амплитуды вариаций ПЭС растет и относительная плотность сбоев измерений фазового и группового запаздывания в системе GPS, превышающая соответствующий показатель для магнитоспокойных дней как минимум на один-два порядка. Уровень сбоев для расположенных на подсолнечной стороне Земли ИСЗ GPS в 5-10 раз больше, чем на противоположной стороне Земли.

3. Обнаружено, что при возмущении ионосферы в областях с повышенными значениями вертикального полного электронного содержания наблюдаются максимальные значения плотности сбоев навигационной системы GPS

4. Установлено, что на средних широтах спектры вариаций полного электронного содержания в диапазоне периодов от 2 с. до 20 мин имеют степенной вид, а при геомагнитном возмущении изменяется амплитудный масштаб (до 20 раз) и наклон спектра вариаций ПЭС (с к = -1,19 до к = -3,06).

5. Показана временная связь сбоев измерений сигнала в системе GPS на средних широтах и наблюдений обратного эхо на радаре некогерентного рассеяния (Иркутск) и блекаута на иркутском цифровом ионозонде DPS-4.

Основные публикации автора по теме диссертации:

1. Afraimovich E.L., Kosogorov E.A., Lesyuta O.S., Ushakov I.I. and Yakovets A.F. Geomagnetic control of the spectrum of traveling ionospheric disturbances based on data from a global GPS network. Ann. Geophys. 2001. V. 19. N 7. P. 723-731.

2. Afraimovich, E.L., Kosogorov E.A., Leonovich LA., Lesyuta O.S. and Ushakov I.I. Novel technology for detecting atmospheric disturbances using a global GPS system instantaneous response of the ionosphere to a sudden commencement of the strong magnetic storm ofApril 6, 2000. Adv. Space Res. 2001. V. 27. N 6-7. P. 1345-1350.

3. Афраймович ЭЛ., Косогоров Е.А., Лесюта О.С., Ушаков И.И. Спектр перемещающихся ионосферных возмущений по данным глобальной сети GPS. Изв. вузов: Радиофизика. 2001. Т. XLIV. N 10. С. 828-839.

4. Афраймович ЭЛ., Климов Н.Н., Козиенко Л.В., Косогоров Е.А., Лесюта О С, Ушаков И.И. О сбоях, возникающих во время геомагнитных возмущений в работе спутниковых систем местоопределения транспортных средств. Транспортные проблемы сибирского региона: Сб. науч. тр. ИРИИТ. Иркутск. 2001. Ч. 1. С. 33-41.

5. Афраймович ЭЛ., Воейков СВ., Лесюта О.С., Ушаков И.И. Геомагнитные возмущения и сбои фазовых измерений навигационной системы GPS. Труды VII Международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь". Воронеж. 2001. Т. 3. С. 1548-1559.

6. 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 Geophys. 2002. V. 45. N 1. P. 55-71.

7. Afraimovich E.L., Kosogorov E.A., Leonovich LA, Lesyuta O.S. and Ushakov I.I. GPS detection of the instantaneous response of the global ionosphere to strong magnetic storms with sudden commencement. Annals of Geophys. 2002. V. 45. N 1. P. 41-53.

8. Афраймович ЭЛ., Лесюта О.С., Ушаков И.И. Геомагнитные возмущения и функционирование навигационной системы GPS. Геомагнетизм и аэрономия. 2002. Т. 42. N 2. С. 220-227.

9. Афраймович ЭЛ., Лесюта О.С., Ушаков И.И. Геомагнитный контроль перемещающихся ионосферных возмущений по данным GPS. Труды XX Всероссийской конференции по распространению радиоволн. Нижний Новгород, 24 июля 2002 г. С. 92-93.

10 Афраймович Э.Л., Воейков С.В, Косогоров Е.А., Лесюта О.С, Ушаков И.И. Геомагнитные возмущения и сбои фазовых измерений навигационной системы GPS. Труды XX Всероссийской конференции по распространению радиоволн. Нижний Новгород, 2- 4 июля 2002 г. С. 102-103.

11.Афраймович, Э.Л., Лесюта О.С., Ушаков И.И. Связь динамики аврорального овала, интенсивности ионосферных неоднородностей и сбоев фазовых измерений в системе GPS. Сборник докладов ГХ Международной конференции "Радиолокация, навигация, связь". Воронеж. 2003. Т. 3. С. 1671-1679.

12.Афраймович, ЭЛ., Ушаков И.И. Статистика сбоев кодовых измерений дальности в навигационной системе GPS при геомагнитных возмущениях. Сборник докладов ГХ Международной конференции "Радиолокация, навигация, связь". Воронеж. 2003. Т. 3. С. 1680-1690.

Цитируемая литература:

1. Афраймович ЭЛ., Косогоров ЕА. Автоматизированный комплекс обработки информации глобальной сети GPS-приемников. Информационные технологии контроля и управления на транспорте: Сб. науч. тр. ИрИИТ. Иркутск. 2002. Вып. 10. С. 61-66.

2. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. Под редакцией В. Н. Харисова, А. И. Перова, В. А. Болдина. М.: Изд-во ИПРЖР. 1998.400 с.

3. Лесюта О.С. Возмущения полного электронного содержания в ионосфере, обусловленные внезапным началом магнитных бурь и солнечными затмениями (по данным GPS). Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук. ИСЗФ СО РАН. Иркутск. 2002.28 с.

4. Жеребцов Г.А., Заворин А.В., Медведев А.В., Носов В.Е., Потехин А.П., Шпынев Б.Г.. Иркутский радар некогерентного рассеяния. Радиотехника и электроника 2002. Т. 47. № 11. С. 1339-1346.

5. Basu Santimay, MacKenzie E., and Basu Sunanda. Ionospheric constraints on VHF/HUF communications links during solar maximum and minimum periods. Radio Sci. 1988. V. 23. P. 363-378.

6. Bhattacharrya A., Beach T.L., Basu S. and Kintner P.M. Nighttime equatorial ionosphere: GPS scintillations and differential carrier phase fluctuations. Radio Sci. 2000. V. 35. P. 209-224.

7. Buneman O, Excitation of field aligned sound waves by electron plasmas, Phys Rev.Lett 1963. V. 10. P. 25-27.

8. Coster A.J., Foster J.C, Erickson P.J., Rich F.J. Regional GPS Mapping of Storm Enhanced Density During the July 15-16 2000 Geomagnetic Storm. Proceedings of International Beacon Satellite Symposium, June 4-6, 2001. Boston College. Institute for Scientific Research. Chestnut Hill. MA. USA. 2001. P. 176-180.

9. ftp7/lox ucsd.edu/pub

1 O.Farley D.T.. A plasma instability resulting in field-aligned irregularities in the ionosphere. JGR. 1963. V. 68. P. 6083-6097.

11.Foster J.C., D.Tetenbaum, C.F.del Pozo, J.-P.St-Maurice, D.R.Moorcroft. Aspect Angle Variations in Intensity, Phase Velocity and Altitude for High-Latitude 34-cm E Region Irregularities. JGR. 1992. V. 97(A6). P. 8601-8617.

12.Gurter W., RINEX: The Receiver Independent Exchange Format Version 2. http://igscd.ipl.nasa.pov.80/igscd/data/fonnat/rinex2.txt. 1993.

13.http://www.cx.urube.ch/aiub/ionosphere.html

H.Hofmann-Wellenhof B., Litchtenegger H., Collins J. Global Positioning System:

Theory and Practice. Springer-Verlag Wien. New-York 1992. 327 p. 15.1nterface Control Document ICD-GPS-200.

16. Reinisch B.W., Haines D.M., Bibl K., Galkin I., Huang X., Kitrosser D.F., Sales G.S. and Scali J.L., Ionospheric sounding support of OTH radar. Radio Science. 1997. V. 32. №4. P. 1681-1694.

17.Rogister A., D'Angelo N.. Type n irregularities in the equatorial electrojet. JGR. 1970. V. 75. P. 3879-3887.

18.Skone S. and M. de Jong. Limitations in GPS receiver tracking performance under ionospheric scintillation. Physics and Chemistry ofthe Earth. 2001. Part A 26/6-8. P. 613-621.

19.Shan S.J., Lin J.Y., Kuo F.S. et al. GPS phase fluctuation observed along the American sector during low irregularity activity months of 1997-2000. Earth Planets and Space. 2002. V.54. N 2. P. 141-152.

20. Skone S. and de Jong M. The impact of geomagnetic substorms on GPS receiver performance. Earth, Planets and Space. 2000. V. 52. P. 1067-1071.

21.Voiculescu M., Haldoupis C, Pancheva D., Ignat M, Schlegel K., Shalimov S. More evidence for a planetary wave link with midlatitude E region coherent backscatter and sporadic E layers. Ann. Geophys. 2000. Volume 18. Issue 9. P. 1182-1188.

Подписано в печать 2.04.04. Формат 60x84 1/16 Усл.- печ. л. 0,9. Уч.-изд. л. 1,0. Изд. № 1493. Тираж 150 экз. Отпечатано в типографии ИВАИИ. Зак. 2/199

Содержание.

Список таблиц.

Список рисунков.

Список обозначений и сокращений.

Ф Введение.

Глава 1. Общие сведения.

1.1. Сведения о спутниковой радиотехнической навигационной системе GPS.

1.1.1. Состав навигационной системы GPS.

1.1.2. Структура навигационных радиосигналов GPS.

1.1.3. Принцип функционирования GPS.

1.1.4. Фазовые измерения псевдодальности.

1.2. Обзор работ по качеству функционирования системы GPS.

Глава 2. Методика эксперимента.

2.1. Глобальная сеть двухчастотных приемников GPS. Получение по Internet данных в формате RINEX.

2.2. Измерение полного электронного содержания ионосферы ф по двухчастотным фазовым измерениям псевдодальности.

2.3. Автоматизированный программный комплекс глобального GPS-детектора ионосферных возмущений.

2.3.1. Первичная обработка данных.

2.3.2. Вторичная обработка данных.

2.4. Методика обработки данных.

2.4.1. Некогерентное накопление спектров.

2.4.2. Анализ сбоев, возникающих в работе GPS приемников.

Глава 3. Статистика сбоев измерений фазового и группового запаздывания сигналов спутниковой навигационной системы GPS.

3.1. Сбои измерений фазового и группового запаздывания в спутниковой навигационной системе GPS при невозмущенной ионосфере.

3.2. Сбои измерений фазового и группового запаздывания в спутниковой навигационной системе GPS при возмущенной

Щ ионосфере.

3.3. Зависимость относительной плотности сбоев измерений фазового запаздывания в системе GPS от значения индекса Dst.

3.4. Сравнение полученных результатов с ранее известными работами.

Глава 4. Влияние возмущений ПЭС в ионосфере на эффективность функционирования навигационной системы GPS.

4.1. Изменчивость ионосферы, ионосферные эффекты распространения радиоволн и их влияние на функционирование современных радиоэлектронных средств.

4.1.1. Особенности распространения радиоволн ДМВ-диапазона по трассе «Земля-Космос».

4.1.1.1. Фазовое и групповое запаздывание радиоволн в ионосфере.

4.1.1.2. Влияние ионосферы на частоту радиоволны.

4.1.2. Пространственно-временная изменчивость полного электронного содержания.

4.1.2.1. Регулярные изменения полного электронного содержания.

4.1.2.2. Нерегулярные вариации полного электронного содержания.

4.1.3. Влияние ионосферы на качество функционирования некоторых современных радиоэлектронных средств.

4.2. Связь сбоев измерений в системе GPS и распределения абсолютных значений вертикального полного электронного содержания.

4.3. Связь амплитуды вариации полного электронного содержания сбоев измерений фазы GPS.

4.4. Спектр мощности вариаций полного электронного содержания по данным глобальной сети GPS.

4.5. Связь сбоев фазовых дальномерных измерений приемников GPS и динамики аврорального овала.

4.6. Сравнение результатов экспериментальных исследований возникновения и развития неоднородностей ПЭС с помощью Иркутского радара HP с данными ионозонда и GPS. 143 Заключение. 159 Благодарности. 160 Библиография;

Список таблиц

3.1. Общие сведения об эксперименте при невозмущенной ионосфере.

3.2. Среднесуточные и максимальные значения относительной плотности сбоев режима Ы-Ь2 и Ы в различных диапазонах широт для 29 июля 1999 г.

3.3. Среднесуточные значения и максимальные значения относительной плотности сбоев режима Ь1-Ь2 и Ы основных типов приемников для 29 июля 1999 г.

3.4. Среднесуточные и максимальные значения относительной плотности сбоев режима С1 в различных диапазонах широт для 29 июля 1999 г.

3.5. Среднесуточные и максимальные значения относительной плотности сбоев режима С1 основных типов приемников для 29 июля 1999 г.

3.6. Среднесуточные и максимальные значения относительной плотности сбоев режима Р1/Р2 основных типов приемников для 29 июля 1999 г.

3.7. Среднесуточные и максимальные значения относительной плотности сбоев режима Р1 и Р2 основных типов приемников для 29 июля 1999 56 г.

3.8. Среднесуточные и максимальные значения относительной плотности сбоев режима Р1 и Р2 в различных диапазонах широт для 29 июля

1999 г. (приемник АйЫеск).

3.9. Статистика эксперимента при невозмущенной ионосфере.

3.10. Общие сведения об эксперименте при возмущенной ионосфере.

3.11. Среднесуточные и максимальные значения относительной плотности сбоев режима Ь1-Ь2 и Ы в различных диапазонах широт для б — 7 апреля 2000 г.

3.12. Среднесуточные и максимальные значения относительной плотности сбоев режима Ь1-Ь2 иЫ в различных диапазонах широт для 15 — 16 июля 2000 г.

3.13. Среднесуточные значения и максимальные значения относительной плотности сбоев режима Ы-Ь2 и Ы основных типов приемников для 6 —

7 апреля 2000 г.

3.14. Среднесуточные значения и максимальные значения относительной плотности сбоев режима Ь1-Ь2 и Ы основных типов приемников для 15 -16 июля 2000 г. 68;

3.15. Среднесуточные и максимальные значения относительной плотно- 71 сти сбоев режима С1 в различных диапазонах широт для 6 - 7 апреля

2000 г.

3.16. Среднесуточные и максимальные значения относительной плотности сбоев режима С1 в различных диапазонах широт для 15 - 16 июля 2000 г.

3.17. Среднесуточные и максимальные значения относительной плотности сбоев режима С1 основных типов приемников для 6 —7 апреля 2000 г.

15-16 июля 2000 г.

3.18. Среднесуточные и максимальные значения относительной плотности сбоев режима С1 основных типов приемников для 15 — 16 июля

3.19. Среднесуточные и максимальные значения относительной плотности сбоев режима Р1/Р2 основных типов приемников для 6 апреля

3.20. Среднесуточные и максимальные значения относительной плотности сбоев режима Р1/Р2 основных типов приемников для 15 июля 2000 г.

3.21. Среднесуточные и максимальные значения относительной плотности сбоев режима Р1/Р2 и Р1 в различных диапазонах широт для 6—7 апреля 2000 г. (приемник АйШеск).

3.22. Среднесуточные и максимальные значения относительной плотности сбоев режима Р1/Р2 иР1 в различных диапазонах широт для 15 — 16 июля 2000 г. (приемник АзЫеск).

3.23. Статистика эксперимента при невозмущенной ионосфере.

Список рисунков

2.1. Карта глобальной сети приемников GPS.

2.2. Структурная схема глобального детектора ионосферных возмущений.

3.1. Зависимости от UT относительной средней плотности сбоев фазы P(t), полученные при усреднении данных всех ИСЗдля магнитоспо-койного дня 29 июля 1999 г. в диапазоне долгот 200-30& Е й интервале широт 50+8(f N, 30+50° N, -30+3& N; панели а, б, в-двухчастотный режим работы; панели г, д, е-одночастотный режим работы; незави- ^ симо от типа приемников GPS.

3.2. Зависимости от LT относительной средней плотности сбоев P(t) для основных типов двухчастотных приемников (фирмы ASHTECH, TRIMBLE, АО А) фазовых измерений L1-L2 (слева) и фазовых измерений только L1 (справа), полученные при усреднении данных всех ИСЗ в диапазоне долгот 0-36&Е на средних широтах 30-5(fN для 29 июля 1999 г.

3.3. Зависимости от UT относительной средней плотности сбоев кодовой дальности CI P(t), полученные при усреднении данных всех ИСЗ в диапазоне долгот 200+30& Е и интервале широт 50+8(f N, 30+5(f N, -30+3(Р N; независимо от типа приемников GPS для магнитоспокойного 49 дня 29 июля 1999 г.

3.4. Зависимости от LT относительной средней плотности сбоев P(t) для основных типов двухчастотных приемников (фирмы ASHTECH, TRIMBLE, АО А) кодовых измерений С1, полученные при усреднении данных всех ИСЗ в диапазоне долгот 0+360° Е на средних широтах 30+50°N для 29 июля 1999 г.

3.5. Зависимости от LT относительной средней плотности сбоев P(t) для основных типов двухчастотных приемников (фирмы ASHTECH, TRIMBLE, АО А) кодовых измерений Р1/Р2, полученные при усреднении данных всех ИСЗ в диапазоне долгот 0+360° Е на средних широтах 30+50°N для 29 июля 1999 г.

3.6. Зависимости от LT относительной средней плотности сбоев P(t) для основных типов двухчастотных приемников (фирмы ASHTECH, TRIMBLE, АО А) кодовых измерений Р1 (слева) и кодовыхизмерений Р2 (справа), полученные при усреднении данных всех ИСЗ в диапазоне долгот 0+36&Е на средних широтах 30+5CPN для 29 июля 1999 г.

3.7. Зависимости от UT относительной средней плотности сбоев P(t), для двухчастотных приемников фирмы ASHTECH кодовых измерений Р1 (слева) и кодовых измерений Р2 (справа), полученные при усреднении данных всех ИСЗ в диапазоне долгот 0+36(f Е и интервале широт 50+30° N, 30+5(f N, -30+3(f N для магнитоспокойного дня 29 июля 1999 г.

3.8. Зависимости от UT относительной средней плотности сбоев фазы P(t), полученные при усреднении данных всех ИСЗ в диапазоне долгот 200-300 Е и широт 30+5(Р N приемника фирмы Ashtech во время магнитной бури 6-7 апреля и 15-16 июля 2000 г.

3.9. Зависимости от UT относительной средней плотности сбоев фазы P(t), полученные при усреднении данных всех ИСЗ в диапазоне долгот 200+300? Е и интервале широт 50*80? N, 30+5(f N, -30+30° N; панели а, б, в-двухчастотный режим работы; панели г, д, е-одночастотный режим работы; независимо от типа приемников GPS для магнитной бури 6-7 апреля 2000 г.

3.10. Зависимости от UT относительной средней плотности сбоев фазы P(t), полученные при усреднении данных всех ИСЗ в диапазоне долгот 200+300? Е и интервале широт 50*80? N, 30+50? N, -ЗО+ЗСР N; панели а, б, в-двухчастотный режим работы; панели г, д, е-одночастотный режим работы; независимо от типа приемников GPS для магнитной бури 15-16 июля 2000 г.

3.11. Зависимости от LT относительной средней плотности сбоев P(t) для основных типов двухчастотных приемников (фирмы ASHTECH, TRIMBLE, АО А) фазовых измерений L1-L2 (слева) и фазовых измерений только L1 (справа), полученные при усреднении данных всех ИСЗ в диа

Щ- пазоне долгот 200+300°Е на средних широтах 30+50° N для 6-7 апреля

2000 г.

3.12. Зависимости от LT относительной средней плотности сбоев P(t) для основных типов двухчастотных приемников (фирмы ASHTECH, TRIMBLE, АО А) фазовых измерений L1-L2 (слева) и фазовыхизмерений только L1 (справа), полученные при усреднении данных всех ИСЗ в диапазоне долгот 200+300РЕ на средних широтах 30+50? N для 15-16 июля 2000 г.

3.13. Зависимости от UT относительной средней плотности сбоев кодовой дальности CI P(t), полученные при усреднении данных всех ИСЗ в диапазоне долгот 200+30(Р Е и интервале широт 50+80° N, 30+5(f N, -ЗО+ЗСР N; независимо от типа приемников GPS для магнитной бури 6-7 апреля 2000 г.

3.14. Зависимости от UT относительной средней плотности сбоев кодовой дальности CI P(t), полученные при усреднении данных всех ИСЗ в диапазоне долгот 200+30(f Е и интервале широт 50*80? N, 30+50? N, -30+3(f N; независимо от типа приемников GPS для магнитной бури 1516 июля 2000 г.

3.15. Зависимости от LT относительной средней плотности сбоев P(t) для основных типов двухчастотных приемников (фирмы ASHTECH, TRIMBLE, АО А) кодовых измерений С1, полученные при усреднении данных всех ИСЗ в диапазоне долгот 200+300? Е на средних широтах

30+5(fN для 6- 7 апреля 2000 г. IS

3.16. Зависимости от LT относительной средней плотности сбоев P(t) для основных типов двухчастотных приемников (фирмы ASHTECH, TRIMBLE, АОА) кодовых измерений С1, полученные при усреднении данных всех ИСЗ в диапазоне долгот 200+30(f Е на средних широтах 30+5(fN для 15-16 июля 2000 г.

3.17. Зависимости от UT относительной средней плотности сбоев P(t), для основных типов двухчастотных приемников (фирмы ASHTECH, TRIMBLE, АОА) кодовых измерений Р1/Р2, полученные при усреднении данных всех ИСЗ в диапазоне долгот 200+300? Е на средних широтах 30+50° N для 6 апреля 2000 г.

3.18. Зависимости от UT относительной средней плотности сбоев P(t), для основных типов двухчастотных приемников (фирмы ASHTECH, TRIMBLE, АОА) кодовых измерений Р1/Р2, полученные при усреднении данных всех ИСЗ в диапазоне долгот 200+300° Е на средних широтах 30+50? N для 15 июля 2000 г.

3.19. Зависимости от UT относительной средней плотности сбоев кодовой дальности P(t), полученные при усреднении данных всех ИСЗ в диапазоне долгот 200+300? Е и интервале широт 50*80? N, 30+50? N, -30+300 N для приемников типа Ashtech; панели а, б, в-двухчастотный режим PI/Р2 работы; панели г, д, е-одночастотный режим PI работы; для магнитной бури 6-7 апреля 2000 г.

3.20. Зависимости от UT относительной средней плотности сбоев кодовой дальности P(t), полученные при усреднении данных всех ИСЗ в диапазоне долгот 200+30& Е й интервале широт 50*80? N, 30+50° N, -30+30? N для приемников типа Ashtech; панели а, б, в-двухчастотный режим Р1/Р2 работы; панели г, д, е-одночастотный режим PI работы; для магнитной бури 15-16 июля 2000 г.

3.21. Зависимости от UTотносительной средней плотности сбоев P(t) кодовых измерений С1 и Р1/Р2 и фазовых измерений L1-L2, полученные при усреднении данных всех ИСЗ для приемника типа Ashtech в диапазоне долгот 200+300°Е и широт 30+5CPN для 6-7 апреля и 15-16 июля 2000 г.

3.22. Зависимости от UTотносительной средней плотности сбоев фазы P(t) от геомагнитной обстановки, определенной по индексу Dst, полученной для всех ИСЗ в диапазоне широт 30+5(Р N и долгот 200+30(Р Е независимо от типов приемников GPS для 35 суток 1999-2001 гг. с различным уровнем геомагнитной возмущенности.

4.1. Влияние ионосферы на изменение частоты радиоволны.

4.2. Обобщенный анализ вариаций ПЭС, вызванных магнитными бурями (по данным измерений на сети GPS станций, с обработкой измерений по 23 геомагнитным возмущениям при Ар>30). По горизонтальной оси отложено время наблюдений (Тп) в часах. Принятые обозначения: SUM-лето, WIN-зима, LAT и LON- широта и долгота места, для которого проводился анализ.

4.3. Вариации широтного и долготного градиентов ПЭС во время магнитных бурь 25.09.1998 г. (а, б) и 18.02.1999 г. (в, г). Время измерений в обоих случаях относится к максимальной фазе магнитной бури (09.00 UT), широтные градиенты относятся к средним широтам (В=50 °).

4.4. Вариации ПЭС и его горизонтальных градиентов в период солнечного затмения 9 марта 1997г. в Иркутске (вертикальной чертой отмечен момент времени 00.54 UT, соответствующий наступлению максимальной фазы затмения на высоте 300 км).

4.5. Пример короткопериодического ИВ, наблюдаемого над Брюсселем 28.05.1993 (обозначение АТЕС соответствует АПЭС на предыдущих рисунках).

4.6. Пример ПИВ, наблюдаемого на сети GPS станций в Бельгии 30.10.1994.

4.7. Влияние ионосферы на функционирование системы GPS.

4.8. Влияние ионосферы на функционирование системы GPS.

4.9. Карта распределения ПЭС для 16-24 UT15 июля 2000 г.

4.10. Распределение относительной плотности сбоев фазовых измерений GPS для 15 июля 2000 г.

4.11. Временные зависимости относительной плотности сбоев фазовых измерений GPS и амплитуды вариаций ПЭС для магнитных бурь 67 апреля и 15-16 июля 2000 г. (западный сектор).

4.12. Временные зависимости относительной плотности сбоев фазовых измерений GPS и амплитуды вариаций ПЭС для магнитной бури 31 марта 2001г.

4.13. Временные зависимости относительной плотности сбоев фазовых измерений GPS и амплитуды вариаций ПЭС для магнитных бурь 67 апреля и 15-16 июля 2000 г. (восточный сектор).

4.14. Временные зависимости и логарифмические спектры мощности вариаций ПЭС для спокойного и возмущенного периодов во время магнитной бури 15 июля 2000 г.

4.15. Временные зависимости и логарифмические спектры мощности вариаций ПЭС для магнитоспокойного и магнитовозмущенного дня. Пунктиром на панелях а, г отмечены значения индекса Dst.

4.16. Иллюстрация увеличения плотности фазовых сбоев приемников GPS во время магнитных бурь 6-7 апреля и 15-16 июля 2000 г. в западном полушарии Земли.

4.17. Иллюстрация увеличения плотности фазовых сбоев приемников GPS во время магнитной бури 31 марта 2000 г. в восточном (слева) и западном (справа) полуишрии Земли.

4.18. Иллюстрация увеличения плотности фазовых сбоев приемников GPS во время магнитных бурь 6-7 апреля и 15-16 июля 2000 г. в восточном полушарии Земли.

4.19. Временные зависимости относительной плотности фазовых сбоев P(t) и моменты времени наблюдения сигналов обратного рассеяния на иркутском радаре HP для 15 июля 2000 г.

4.20. Временные зависимости относительной плотности фазовых сбоев P(t) и моменты времени наблюдения блэкаута на иркутском ионо-зонде DPS-4 для 15 мая 2003 г.

4.21. Временные зависимости относительной плотности фазовых сбоев P(t) и моменты времени наблюдения сигналов обратного рассеяния на иркутском радаре HP (точки) и блэкаута (крестики) на иркутском ионозонде DPS-4 для большой магнитной бури 28-30 октября 2003 г.

4.22. Временные зависимости относительной плотности фазовых сбоев P(t) и моменты времени наблюдения сигналов обратного рассеяния (точки) на иркутском радаре HP и блэкаута (крестики) на иркутском ионозонде DPS-4 для большой магнитной бури 31 октября и 1-2 ноября 2003 г.

4.23. Карта распределения ПЭС для 15-21 UT29 октября 2003 г.

4.24. Распределение относительной плотности сбоев фазовых измерений GPS для 29 октября 2003 г.

4.25. Карта распределения ПЭС для 15-21 UT30 октября 2003 г,

4.26. Распределение относительной плотности сбоев фазовых измерений GPS для 30 октября 2003 г.

Список обозначений и сокращений

АГВ акустико-гравитационная волна ГЛОНАСС глобальная спутниковая радионавигационная система

ДМВ дециметровые волны

ГС главная станция

ИВ ионосферное возмущение

ИЗ ионосферная задержка

ИСЗ искусственный спутник Земли

КС контрольная станция

KB короткие волны

НС навигационный спутник

ОКП окружающее космическое пространство ПИВ перемещающиеся ионосферные возмущения

ПЭС полное электронное содержание

РЭС радиоэлектронные системы

СВД станция ввода данных

СУБД система управления базой данных

СРНС спутниковая радионавигационная система

GPS (Global Positioning System) глобальная система позиционирования

LT (Local Time) местное время

UT (Universal Time) универсальное (мировое) время

Dst индекс геомагнитной возмущенности

Кр индекс геомагнитной возмущенности

Ае индекс активности полярного овала

Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) — американская GPS [77] и российская ГЛОНАСС [39] - стали в настоящее время мощным фактором мирового научно-технического прогресса и широко используются в различных направлениях человеческой деятельности, в том числе в решении ряда прикладных задач. В связи с этим большое внимание уделяется непрерывному совершенствованию СРНС, что невозможно без детального изучения надежности их функционирования и помехозащищенности, особенно при эксплуатации в экстремальных условиях (например, во время сильных геомагнитных возмущений).

Деградация радиосигналов и ухудшение качества функционирования СРНС во время возмущений околоземного космического пространства (ОКП) являются одними из важнейших факторов влияния космической погоды на эффективность работы спутниковых систем (наряду с другими факторами, такими, как электризация космических аппаратов, неравномерное торможение ИСЗ, пробои электроники ИСЗ высокоэнергичными частицами и т.д.). В системе GPS наиболее ярким проявлением этого фактора является наличие сбоев измерений фазового (cycle slips [72, 77]) и группового запаздывания, связанных со срывом сопровождения сигнала (Lost of lock [72, 77]) при низком уровне отношения сигнал/шум.

Существование ионосферы как среды, в значительной степени состоящей из заряженных частиц, является важным фактором, оказывающим влияние на распространение радиоволн. Распространение радиоволн в ионосферной плазме зависит от полного электронного содержания (ПЭС) вдоль траектории распространения радиоволны.

Таким образом, задача исследования влияния нерегулярных изменений окружающего космического пространства на эффективность функционирования спутниковых навигационных систем является актуальной.

При проведении подобных исследований требуются большие финансовые и временные затраты, направленные на создание полигонов, расположенных в различных районах земного шара, на изготовление больших партий приемников GPS-ГЛОНАСС различных типов, создание специальных программно-аппаратных средств и систем для обработки данных, получаемых с приемников СРНС.

Между тем, в мире существует и эксплуатируется глобальная сеть двухчастотных GPS приемников, данные с которых с временным разрешением 30 с. централизованно поставляются на сервер SOPAC [67] в стандартном формате RINEX [72], после чего они доступны для анализа и использования по сети Internet. Данная сеть непрерывно расширяется и к январю 2003 г. насчитывала более 1000 зарегистрированных приемников GPS, а сервер SOP АС содержит данные круглосуточных измерений приемников более чем за семь лет [72, 73]. Полученная таким образом база данных представляет собой уникальный материал для проведения исследований.

Известно несколько работ, в которых исследование эффективности GPS в экваториальной и авроральной зонах проводилось с помощью специальных приемников GPS [88, 59, 60, 63, 89, 90]. Недостатком этих работ является малая статистика данных.

В ИСЗФ СО РАН разработана технология и создан автоматизированный программный комплекс, предназначенный для глобального детектирования и мониторинга ионосферных возмущений естественного и техногенного происхождения (GLOBDET), а также для исследований эффективности функционирования системы GPS в различных геофизических условиях [1]. С помощью данного комплекса появилась возможность устранения недостатков и пробелов предыдущих исследований.

С использованием комплекса GLOBDET в диссертации [35] были представлены результаты исследования зависимости относительной плотности сбоев только фазовых измерений в системе GPS от уровня возмущения магнитосферы Земли на примере 5 дней, полученные при совместной работе с автором настоящей диссертации. Недостатком работы [35] было отсутствие измерений всего основного набора параметров сигнала GPS (необходим анализ не только фазового, но и группового запаздывания, пропусков отсчетов и т.д.). Кроме того, в работе [35] нет детального анализа причин сбоев измерений.

Целью настоящей диссертации является исследование влияния геомагнитных возмущений на измерения фазового и группового запаздывания сигналов навигационной системы GPS на основе многолетней статистики измерений глобальной сети двухчастотных приемников GPS.

Предметом настоящей диссертации являются сбои измерений фазового и группового запаздывания сигналов GPS.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. создание набора данных сбоев измерений сигналов и вариаций полного электронного содержания (ПЭС), определенных по данным глобальной сети GPS за период 1998-2003 гг., необходимого для исследования зависимости относительной плотности сбоев измерений фазового и группового запаздывания в навигационной системе GPS от уровня возмущения ионосферы Земли;

2. получение статистики относительной плотности сбоев измерений фазы I и дальномерного псевдослучайного Р-кода и С/А-кода в навигационной системе GPS в различных геофизических условиях;

3. изучение связи сбоев измерений фазового и группового запаздывания в системе GPS с изменениями характеристик спектра вариаций ПЭС на средних широтах и на границе авроральной зоны, полученными при трансионосферном зондировании сигналами GPS, а также с локальными характеристиками ионосферы по данным радаров некогерентного рассеяния (Иркутск, Millstone Hill) и цифрового ионозонда DPS-4 (Иркутск).

Научная новизна исследования:

1. На основе многолетней статистики данных глобальной сети GPS впервые установлено, что во время магнитных бурь на средних широтах заметно возрастает относительная плотность сбоев измерений фазового и группового запаздывания сигналов навигационной системы GPS независимо от типа приемника.

2. Впервые показано, что на средних широтах спектры вариаций полного электронного содержания в диапазоне периодов от 2 с. до 20 мин имеют степенной вид, а при геомагнитном возмущении изменяется амплитудный масштаб (до 20 раз) и наклон спектра (с к = -1,19 до к = -3,06).

3. Впервые показано, что во время магнитных бурь перемещение авро-рального овала на средние широты сопровождается увеличением плотности сбоев измерений фазового и группового запаздывания сигналов навигационной системы GPS.

Достоверность результатов

Достоверность результатов, описанных в диссертации, подтверждается исследованиями, проведенными в предложенных методах, их проверкой в экспериментах, а также представительной статистикой наблюдений. Полученные в экспериментах физические характеристики находятся в качественном и количественном согласии с результатами независимых исследований, опубликованными ранее другими авторами. Практическая ценность работы

Практическая ценность диссертации состоит в том, что полученные результаты и разработанные методы могут быть использованы для создания модели влияния возмущений ионосферы на функционирование навигационных систем GPS и ГЛОНАСС. Результаты работы могут быть использованы в навигационных задачах определения местоположения объектов различного назначения.

Личный вклад автора

Основные результаты работы являются оригинальными и получены лично автором или при его непосредственном участии. Автор принимал непосредственное участие в:

1) изучении относительной плотности сбоев фазового запаздывания в навигационной системе GPS в различных геофизических условиях;

2) изучении влияния изменения спектральных характеристик вариаций ПЭС на сбои измерений в системе GPS;

3) изучении связи динамики авроральной активности и сбоев измерений фазового запаздывания в системе GPS.

Автору принадлежат результаты исследований:

1) относительной плотности сбоев измерений группового запаздывания, определенных по псевдослучайному Р-коду и С/А-коду в навигационной системе GPS для основных типов приемников GPS и в различных геофизических условиях;

2) связи сбоев измерений фазового и группового запаздывания в системе GPS и распределения абсолютных значений вертикального полного электронного содержания (по данным IONEX);

3) качественной степени связи сбоев измерений фазового и группового запаздывания в системе GPS и явления обратного эха УКВ сигналов радаров некогерентного рассеяния (Иркутск, Millstone Hill);

4) качественной степени связи сбоев измерений фазового и группового запаздывания в системе GPS и явления блэкаута сигналов ионозонда DPS-4 (Иркутск).

Апробация работы

Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались: на Байкальской научной молодежной школе по фундаментальной физике БШФФ-00 "Астрофизика и физика микромира", Иркутск, 2000; European Geophysical Society, XXVI General Assembly, Nice, France, 2001; The International Union of Radio Science, International Beacon Satellite Symposium, Boston, 2001; A Workshop on Space Weather Effects on Communication and Navigation Signals, Boston, 2001; на VII международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь", Воронеж, 2001; VIH объединенном международном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы", Иркутск, 2001; Всероссийской конференции по физике солнечно-земных связей, Иркутск, 2001; XX всероссийской конференции по распространению радиоволн, Нижний Новгород, 2002; IX международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь", Воронеж, 2003; Всероссийской конференции "Дистанционное зондирование поверхности земли и атмосферы", Иркутск, 2003, а также на семинарах в ИВАИИ, ИСЗФ СО РАН и на физическом факультете Иркутского госуниверситета.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Статистические данные сбоев измерений фазового и группового запаздывания GPS и вариаций полного электронного содержания, охватывающие как спокойные, так и возмущенные ионосферные условия не только на экваторе и в полярной области, но и на средних широтах.

2. Во время магнитных бурь возрастает относительная плотность сбоев измерений фазового и группового запаздывания сигналов навигационной системы GPS независимо от типа приемника. Уровень сбоев для GPS приемников, расположенных на подсолнечной стороне Земли, в 5-10 раз больше, чем на противоположной стороне Земли.

3. Во время магнитных бурь перемещение аврорального овала на средние широты сопровождается увеличением плотности сбоев измерений фазового и группового запаздывания сигналов навигационной системы GPS.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического указателя, содержащего 96 ссылок. Общий объем диссертации - 170 страниц, включая 23 таблицы и 50 рисунков.

Заключение

В ходе работы получены следующие результаты:

1. Создан набор данных сбоев дальномерных измерений в системе GPS и вариаций полного электронного содержания, определенных по данным глобальной сети GPS за период 1999-2003 гг. для более 300 станций, необходимый для исследования зависимости относительной плотности сбоев дальномерных измерений в навигационной системе GPS от уровня возмущения ионосферы Земли. Общий объем данных GPS, анализируемых в диссертации, превышает 220000 30 с. наблюдений.

2. Установлено, что во время магнитных бурь на средних широтах одновременно с усилением амплитуды вариаций ПЭС растет и относительная плотность сбоев измерений фазового и группового запаздывания в системе GPS, превышающая соответствующий показатель для магнитоспокой-ных дней как минимум на один-два порядка. Уровень сбоев для расположенных на подсолнечной стороне Земли ИСЗ GPS в 5-10 раз больше, чем на противоположной стороне Земли.

3. Обнаружено, что при возмущении ионосферы в областях с повышенными значениями вертикального полного электронного содержания наблюдаются максимальные значения плотности сбоев навигационной системы GPS.

4. Установлено, что на средних широтах спектры вариаций полного электронного содержания< в диапазоне периодов от 2 с. до 20 мин имеют степенной вид, а при геомагнитном возмущении изменяется амплитудный масштаб (до 20 раз) и наклон спектра вариаций ПЭС (с к = -1,19 до к = -3,06).

5. Показана временная связь сбоев измерений сигнала в системе GPS на средних широтах и наблюдений обратного эхо на радаре некогерентного рассеяния (Иркутск) и блекаута на иркутском цифровом ионозонде DPS-4.

Благодарности

Автор искренне благодарит своего научного руководителя доктора физико-математических наук, профессора Э. JL Афраймовича.

Автор также благодарен сотрудникам ИСЗФ СО РАН О.С. Лесюте, Е.А. Косогорову, C.B. Воейкову, Э.И. Астафьевой, а также сотрудникам ИВАИИ В.В. Демьянову, Д.А. Рыжкову, В.В. Кирюшкину, Т.Н. Кондаковой за помощь и активное участие в обсуждении работы.

Эта работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (02-05-64570 и 03-05-64100), а также гранта N НШ-272.2003.5 государственной поддержки ведущих научных школ Российской Федерации.

1. Афраймович Э.Л., Косогоров Е.А. Автоматизированный комплекс обработки информации глобальной сети GPS-приемников. Информационные технологии контроля и управления на транспорте: Сб. науч. трудов. ИрИИТ. Иркутск. 2002. Вып. 10, С. 61-66.

2. Афраймович ЭЛ., Лесюта О.С., Ушаков И.И. Геомагнитные возмущения и функционирование навигационной системы GPS. Геомагнетизм и аэрономия. 2002. Т. 42. N 2. С. 220-227.

3. Афраймович ЭЛ., Бернгардт И.И., Лесюта О.С. и др. Исследование физических механизмов фазовых сбоев системы GPS во время магнитных бурь. Сборник докладов VIII международной конференции "Радиолокация, навигация, связь". Воронеж. 2002. Т. 3. С. 1931-1940.

4. Афраймович Э. Л., Лесюта О. С., Ушаков И.И. Геомагнитный контроль перемещающихся ионосферных возмущений по данным GPS. Труды XX всероссийской конференции по распространению радиоволн. Нижний Новгород, 2- 4 июля 2002 г. С. 92-93.

5. Адушкин В.В., Горелый К.И. Ионосферные эффекты воздушных ядерных взрывов при разных уровнях геомагнитной активности. Геомагнетизм и аэрономия. 1995. Т. 35. №1.02. С. 163-166.

6. Бабич O.A. Обработка информации в навигационных комплексах. М.: Машиностроение. 1991 г.

7. Булатов Н.Д., Савин Ю. К. Статистические характеристики поляризационных замираний КВ сигнала. Электросвязь. 1971. № 2. С. 14-16.

8. Богута Н.М. и. др. Использование ЛЧМ ионозонда в адаптивной системе КВ радиосвязи. Радиотехника. 1993. № 4. С. 77-79.

9. Гудмен Дж.М., Аароне Ж. Влияние ионосферных эффектов на современные Электронные системы. ТИИЭР. 1990. Т.78. N3. С. 59-76.

10. Гинзбург В.Л., Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука. 1967. 684 С.

11. Гершман Б.Н., Казимировский Э.С., Кокоуров В.Д., Чернобровкина H.A. Явление F-рассеяния в ионосфере. М.: Наука. 1984. 144 С.

12. Гудмен Дж.М., Ж. Аароне. Влияние ионосферных эффектов на одночас-тотной аппаратуре потребителей спутниковой системы навигации NAVSTAR. Зарубежная радиоэлектроника. 1989. № 5. С. 85-95.

13. Дж. Аароне. Глобальная морфология ионосферных мерцаний. ТИИЭР. 1982. Т. 70. №4. С. 45-66.

14. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. М.: Мир. 1973. 502 С.

15. Дёмин A.B., Рыжкина Т.Е., Фёдорова Л.В. Предельное разрешение измерение дальности и вертикального угла прихода сигналов КВ диапазонапри наклонном отражении от ионосферы. Радиотехника и электроника. 1996. №2. С. 180- 185.

16. Ефременко В.В., Мошков A.B. Флуктуация временной задержки радиосигналов на ионосферном участке связного канала Космос-Земля. Радиотехника и электроника. 1994. № 3. С. 398- 401.

17. Жеребцов Г.А., Заворин A.B., Медведев A.B., Носов В.Е., Потехин А.П., Шпынев Б.Г. Иркутский радар некогерентного рассеяния. Радиотехника и электроника. 2002. Т. 47. № 11. С. 1339-1346.

18. Иванов А. Щ Романов Л. М. Полигонные навигационные измерения с использованием спутниковой радионавигационной системы NAVSTAR. Зарубежная радиоэлектроника. 1989. № 11. С. 17-25.

19. Косогоров Е.А. Афраймович Э. JI. Автоматизированный комплекс обработки информации глобальной сети GPS-приемников. Информационные системы контроля и управления на транспорте: Сб.науч.тр. Иркутск: ИрИИТ. 2002. Вып. 10. С. 61-66.

20. Колосов М.А., Арманд H.A., Яковлев О.И. Распространение радиоволн при космической связи. М.: Связь. 1969. 155 С.

21. Кринберг И.А., Выборов В. И., Кошелев В. В., Попов В. В., Сутырин Н. А. Адаптивная модель ионосферы. М.: Наука. 1986. 132 С.

22. Котяшкин С.И. Определение ионосферной задержки сигналов в одночас-тотной аппаратуре потребителей спутниковой системы навигации NAVSTAR. Зарубежная радиоэлектроника. 1989. № 5. С. 85-95.

23. Кретов Н. В., Рыжкина Т. Е., Федорова JI. В. Влияние земной атмосферы на пространственное разрешение радиолокатора с синтезированной апертурой космического базирования. Радиотехника и электроника. 1992. № 1. С. 90- 95.

24. Новоселов О.Ф., Карпейкин A.B. Алгоритмы преобразования координат. Статистическая радиотехника. Научно-методические материалы ВВИА им. Н.Е. Жуковского. 1992 г.

25. Ришбер Г., Гарриот О. К. Введение в физику ионосферы. Гидрометеоиз-дат. Л. 1975. 304 С.

26. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. Эко-Трендз. Москва. 2000. 270 С.

27. Солодовников Г. К., Синельников В. М., Крохмальников Е. Б. Дистанционное зондирование ионосферы Земли с использованием радиомаяков космических аппаратов. М.: Наука. 1988. 191 С.

28. Харисов В. Н., Перов А. И., Болдин В. А. и др. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. М.: ИПРЖР. 1998. 400 С.

29. Щепкин Л. А. Регулярные вариации содержания электронов в нижней части слоя F2 ионосферы на средних широтах. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука. 1963. С. 66-74:

30. Яковлев О. И. Космическая радиофизика. М.: Научная книга. 1998. 432 С.

31. Aarons J. Global positioning system phase fluctuations at auroral latitudes. J. Geophys. Res. 1997. V. 102. N A8. P. 17219.

32. Aarons J., Mendillo M., Yantosca R. GPS phase fluctuations in the equatorial region during sunspot minimum. Radio Sci. 1997. V. 32. P. 1535.

33. Aarons J., Lin B. Development of high latitude phase fluctuations during the January 10, April 10-11, and May 15, 1997 magnetic storms. J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 1999. V. 61. P. 309.

34. Aarons J. Global morphology of ionospheric scintillations. Proceedings of the IEEE. 1982. V. 70. N4. P. 360.

35. Aarons J., Mendillo M., Kudeki E. et al. GPS phase fluctuations in the equatorial region during the MISETA 1994 campain. J. Geophys. Res. 1996. V. 101. NA12. P. 26851.

36. Aarons J. Global positioning system phase fluctuations at auroral latitudes. J. Geophys. Res. 1997. V. 102. N A8. P. 17219.

37. Afraimovich E.L., Palamartchouk K.S. and Perevalova N.P. GPS radio inter-ferometry of travelling ionospheric disturbances. J. Atm. Terr. Phys. 1998. V. 60. N12. P. 1205-1223.

38. Afraimovich E. L. GPS global detection of the ionospheric response to solar flares. Radio Sci. 2000. V. 35. P. 1417-1424.

39. Afraimovich E.L., Kosogorov E.A., Lesyuta O.S., Ushakov I.I. and Yakovets A.F. Geomagnetic control of the spectrum of traveling ionospheric disturbances based on data from a global GPS network. Ann. Geophys. 2001. V. 19. N 7. P. 723-731.

40. 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.

41. Afraimovich, E.L., Kosogorov E.A., Leonovich L.A., Lesyuta O.S. and Ushakov I.I. GPS detection of the instantaneous response of the global ionosphere to strong magnetic storms with sudden commencement. Annals of Geophys., 2002. V. 45. N1. P. 41-53.

42. Afraimovich E.L., Karachenschev V.A. Testing of the transionospheric radiochannel using data from the global GPS network. LANL e-print archive. http://xxx.lanl.gov/abs/phvsics/02100048.

43. Afraimovich E.L., Demyanov V.V., Kondakova T.N. Degradation of GPS performance in geomagnetically disturbed conditions. LANL e-print archive. http://xxx.lanl.gov/abs/phvsics/0211015.

44. 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.

45. Basu Santimay, MacKenzie E. and Basu Sunanda. Ionospheric constraints on VHF/HUF communications links during solar maximum and minimum periods. Radio Science. 1988. V. 23. P. 363-378.

46. Bhattacharrya A., Beach T.L., Basu S. and Kintner P.M. Nighttime equatorial ionosphere: GPS scintillations and differential carrier phase fluctuations. Radio Science. 2000. V. 35. P. 209-224.

47. Basu S., Basu S., MacKenzie E., Whitney H.E. Morphology of phase and intensity scintillations in the auroral oval and polar cap. Radio Sci. 1985. V. 20. N 3. P. 347-356.

48. Buneman O. Excitation of field aligned sound waves by electron plasmas. Phys.Rev.Lett. 19631V. 10. P. 25-27.

49. Crane R. K. Ionospheric scintillation. Proc.IEEE. 1977. vol. 65. No. 2. P. 180199.

50. Calais E., Minster B. J;, Hofton M. A., Hedlin M. A. H. Ionospheric signature of surface mine blasts from Global Positioning System measurements. Geophys J. Int. 1998. V. 132. P. 191-202.

51. Cohen E. A. The study of the of solar eclipses on the ionosphere based on satellite beacon observations. Radio Science. 1984. vol. 19(3). P. 769-777.67.ftp://lox.ucsd.edu/pub

52. Fremouw E.J., Secan J.A., Lansinger J.M: Spectral behaviour of phase scintillation in the nighttime auroral region. Radio Sci. 1985. V. 20. N. 4. P. 923-933.

53. Fitzgerld T. J. Observations of total electron content perturbations in GPS signals caused by a ground level explosion. Journal of Atmospheric and.Terrestrial Physics. 1997. V. 59. N. 7. P. 829-834.

54. Foster J.C., D.Tetenbaum, C.F.del Pozo, J.-P.St-Maurice, D.R.Moorcroft, Aspect Angle Variations in Intensity, Phase Velocity and Altitude for High-Latitude 34-cm E Region Irregularities. JGR. 1992. V. 97(A6). P. 8601-8617.

55. Farley D.T., A plasma instability resulting in field-aligned irregularities in the ionosphere. JGR. 1963; V. 68. P. 6083-6097.

56. Gurter W., RINEX: The Receiver Independent Exchange Format Version2. http ://i gscd.jpl.nasa. gov: 80/i gscd/data/format/rinex2.txt. 1993.73. http://www.cx.unibe.ch/aiub/ionosphere.html

57. Hoimann-Wellenhof B., Litchtenegger H., Collins J. Global Positioning System: Theory and Practice. Springer-Verlag Wien. New-York. 1992. 327 p.

58. Ho C. M., A. J. Mannucci, U. J. Landqwister, Pi X. and B. T. Tsurutany. Global ionospheric perturbations monitored by the worldwide GPS network. Geophysical Research Letters. 1997. vol. 23(22). P. 3219-3222.

59. Ho C.M., Mammucci A.J., Sparks L. Et al. Ionospheric total electron content perturbations monitored by the GPS global network during two northern hemisphere winter storms. J. Geophys. Res. 1998. V. 103. P. 26409-26420.

60. Interface Control Document ICD-GPS-200.

61. Jayachadran B. and T. N. Krishnankutty. Low latitude TEC variations for three consecutive solar cycles. Acta Geodaetica et Geophysica Hungarica. 1997. V. 33 (3-4). P. 255-265.

62. Jakowski N., Schlutter S., Sardon E. Total electron content of the ionosphere during the geomagnetic storm on 10 January 1997. J. Atmos. Solar-Terr. Phys.1999. V. 61. P. 299-305.

63. Kelley M. C., Baker K. D., Ulwick J. C., Rino C. L. and Baron M. J. Simultaneous rocket probe, scintillation, and incoherent scatter radar observations of irregularities in the auroral zone ionosphere. Radio Science.1980. V. 15. No. 3. P. 491-505.

64. Klobuchar J.A. Ionospheric time-delay algorithm for singlefrequency GPS users. IEEE Transactions on Aerospace and Electronics System. 1986. AES 23(3). P. 325-331.

65. Klobuchar J.A. Real-time ionospheric science: The new reality. Radio Sci. 1997. V. 32. P. 1943.

66. Ledvina B.M., Makela J.J., Kintner P.M. First observations of intense GPS LI amplitude scintillations at midlatitude. Geophys. Res. Letters. V.29. No. 14. 10.1029/2002GL014770. 2002.

67. Mannucci A.J., Ho C.M., Lindgwister U.J. et al. A global mapping technigue for GPS-drived ionospheric TEC measurements. Radio Sci. 1998. V. 33. P. 565-570.

68. McDonald B.E., Cortey T.P., Ossakow S.L., and Sudan R.N. Numerical studies of Type 2 eguatorial electrojet irregularity development. Radio Sci. 1975. V. 10. P. 247-254.

69. Pi X., Mannucci A.J., Lindgwister U.J., Ho C.M. Monitoring of global ionospheric irregularities using the woldwide GPS network. Geophys. Res. Lett. 1997. V. 24. P. 2283.

70. Reinisch B.W., Haines D.M., Bibl K., Galkin I., Huang X., Kitrosser D.F., Sales G.S. and Scali J.L. Ionospheric sounding support of OTH radar. Radio Science. 1997. V. 32. № 4. P. 1681-1694.

71. Rogister A., D'Angelo N. Type II irregularities in the equatorial electrojet. JGR. 1970. V. 75. P. 3879-3887.

72. Skone. S. and M. de Jong. 2001. Limitations in GPS receiver tracking performance under ionospheric scintillation. Physics and Chemistry of the Earth. Part A 26/6-8. P. 613-621.

73. Shan S.J., Lin J.Y., Kuo F.S. et al. GPS phase fluctuation observed along the American sector during low irregularity activity months of 1997-2000. Earth Planets and Space. 2002. V. 54. N 2. P. 141-152.

74. Skone S. and de Jong M. The impact of geomagnetic substorms on GPS receiver performance. Earth. Planets and Space. 2000. V. 52. P. 1067-1071.

75. Shaer S., G. Beulter, and M. Rothacher. Mapping and predicting the ionosphere. IGS worksh. Proc. 1998. P. 1-12.

76. Schaer S., Gfurtner W., Feltens J. IONEX: The Ionosphere Map Exchange Format Version 1. Proc. IGS AC Workshop, Darmstadt, Germany, Febrruary 911. 1998. P. 233-247.

77. Voiculescu M., Haldoupis C., Pancheva D., Ignat M., Schlegel K., Shalimov S. More evidence for a planetary wave link with midlatitude E region coherent backscatter and sporadic E layers. Ann. Geophys. 2000. Volume 18. Issue 9. P. 1182-1188.

78. Warnart R.The stady of the TEC and ITS irrigularities using a regional network of GPS stations. IGS worksh. Proc. 1995. P. 249-263.

79. Yeh K.C., Liu C.H. Radio wave scintillations in the ionosphere. Proc. IEEE. 1982. Vol. 70. No. 4. P. 324-360.