Полярные сияния как индикатор устойчивости сигнала GPS-приемника

УДК 550.388.2

М. В. Филатов, М. В. Швец, С. В. Пильгаев, А. В. Ларченко, С. А. Черноус

ПОЛЯРНЫЕ СИЯНИЯ КАК ИНДИКАТОР УСТОЙЧИВОСТИ СИГНАЛА GPS-ПРИЕМНИКА

Аннотация

Представлены доказательства того, что вариации состояния ионосферы, определяемые полярными сияниями, оказывают влияние на сигналы высокоорбитальных навигационных спутников. Также предпринято сопоставление планетарной модельной картины появления полярных сияний и планетарной картины неоднородностей полного электронного содержания, определяемой по данным навигационного сигнала двухчастотных приемников, которое показало, что обе картины имеют форму овала, и данные о пространственно-временном распределении полярных сияний могут являться маркером состояния областей высокоширотной ионосферы, ответственных за распространение навигационных сигналов.

Ключевые слова:

навигационные системы, авроральные возмущения, полярные сияния.

M. V. Filatov, M. V. Shvets, S. V. Pilgaev, A. V. Larchenko, S. A. Chernous

AURORAS AS AN INDICATOR OF THE STABILITY OF THE GPS SIGNAL RECIEVER

Abstract

This paper presents evidence that aurora determined ionospheric variations affects the signals high orbital navigation satellites. A comparison of the planetary model pictures of auroral oval and planetary pattern of the total electron content irregularities has been made. The irregularities determined according to the navigation signal of dualfrequency receivers in different stations. It has been shown that both auroral oval and auroral irregularities planetary pictures have the shape of an oval. Thus, the data on the spatial and temporal distribution of auroras could be a marker of the state of polar ionosphere areas responsible for the quality of navigation signals.

Keywords:

navigation systems, auroral disturbances, aurora.

Введение

В настоящее время изучению флуктуаций и сцинтилляций ГЛОНАСС/GPS сигналов уделяется всё большее внимание в ионосферных исследованиях, навигации, космической геодезии, радиосвязи [1]. Амплитудные флуктуации могут привести к срывам и потери слежения сигнала, особенно это относится к районам Арктики [2]. Интенсивные флуктуации могут привести к большим погрешностям позиционирования, а в отдельных случаях к невозможности определения местоположения. Подходы к решению задачи улучшения работы навигационных систем в Арктике опираются на тот факт, что при высыпаниях электронов и протонов в полярную ионосферу основные эмиссии полярных сияний возбуждаются одновременно с ионизацией атомов и молекул верхней атмосферы. Это приводит к тому, что при таких высыпаниях основные эмиссии полярных сияний возбуждаются одновременно с ионизацией атомов и молекул верхней атмосферы. Само увеличение структуризации ионосферы (это увеличение как количества, так и интенсивности ионосферных

93

неоднородностей во время полярных сияний) может привести к ухудшению качества приёма GPS/ГЛОНАСС-сигналов в высоких широтах, что ведет в конечном итоге к ухудшению качества позиционирования, а во время магнитосферных возмущений к невозможности определения местоположения объекта. В настоящей работе авторы хотят показать, как использовать сияния в качестве диагностического инструмента для оценки вариаций полного электронного содержания и показать возможность прогнозирования ошибок позиционирования, связанных с вторжением частиц в полярную ионосферу на основе предсказания локализации аврорального овала.

Материалы и методы Локальные эффекты

В работах [3, 4] было обнаружено, что при ограничении поля зрения (диаграммы направленности) навигационного приемника с экваториальной стороны, при появлении в этом поле полярных сияний, ошибки позиционирования увеличиваются или происходит нарушение целостности системы (сигнал полностью исчезает). Этот результат, полученный при измерениях на одночастотном приемнике, авторы предложили распространить на регистраторы навигационных сигналов при работе с полной диаграммой направленности, в том числе и на двухчастотные приемники при условии, что полярные сияния полностью охватывают поле зрения приемника. Это предположение встретило возражения, так как, во-первых, чувствительность и избирательность двухчастотного приемника уже учитывают текущее состояние ионосферы, а во-вторых, можно выбрать созвездие навигационных спутников к экватору от зоны полярных сияний, чтобы обеспечить нормальную работу системы.

Снять эти возражения можно экспериментальной проверкой гипотезы [3]. Необходимо было выбрать геофизическую ситуацию (которая случается не часто), когда полярные сияния охватывают полностью диаграмму направленности приемника. В этой работе использовались непрерывные наблюдения полярных сияний камерой всего неба с разрешением 10 сек на станции Баренцбург (Шпицберген) 78005'N 14012'E и одновременные измерения навигационного сигнала на той же станции двухчастотным приемником Javad of Maxor Company. Этот приемник позволяет получать сигналы двух навигационных систем GPS и GLONASS, сбор данных идет с частотой 1 Гц, которая позволяет идентифицировать мелкомасштабные неоднородности и процессы в полярной ионосфере.

Планетарные эффекты

В связи с работами [2, 3, 5, 6] по связи вариаций полярных сияний как индикатора состояния полярной ионосферы с параметрами полного электронного содержания (ПЭС) представляет интерес выяснить, насколько похожи или отличны планетарные распределения неоднородностей ПЭС и сияний аврорального овала. Для этого мы будем использовать карты неоднородностей, полученные из мировой сети навигационных данных в формате RINEX (Receiver-Independent Exchange) и обработанные в западном филиале ИЗМИРАН [7-9], с модельным представлением оптического аврорального овала, созданным российскими и норвежскими учеными [10, 11],

94

размещенном на сайте обсерватории им. Хенриксена Норвежского университета на Шпицбергене (http://kho.unis.no). Использование обобщенных эмпирических данных зависимости положения овала полярных сияний от виртуального 15-минутного Кр-индекса [12-14], получаемого по данным спутника ACE в точке либрации в реальном времени, дает возможность краткосрочного прогноза полярных сияний по этим данным с опережением реальных авроральных возмущений на Земле от десятков минут до полутора часов в зависимости от скорости солнечного ветра. Если удастся сопоставить положение пространственно-временного расположения неоднородностей ПЭС и овала сияний, то это будет означать, что по данным прогноза положения полярных сияний можно будет осуществить прогноз неоднородностей ПЭС в ионосфере высоких широт.

Локальное определение зависимости сигнала отдельных навигационных спутников от местоположения полярных сияний

Для проверки гипотезы [3] был выбран день 24.11.2009, который характеризовался магнитной бурей и полярными сияниями, покрывающими практически весь небосвод на станции Баренцбург. На рис.1 изображены карты местоположения навигационных спутников в угловых координатах и карты местоположения полярных сияний в тех же координатах для различных моментов времени. Можно видеть, что полярные сияния покрывают большую часть небосвода и почти полностью перекрывают поле зрения навигационного приемника в Баренцбурге около 18:20 UT. В этот период сигналы всех 8 наблюдаемых навигационных спутников были подвержены воздействию ионосферных возмущений, что видно из рис.1, на котором положение как GPS-, так и Г ЛОНАСС-спутников наложено на картину распределения интенсивности сияний.

Рис.1. Положение полярных сияний и навигационных спутников в угловых координатах азимут - угол места для моментов времени, когда сияния перекрывают только часть небосвода

95

Из рисунка 2а, который показывает данные, полученные с отдельного спутника рабочего созвездия, мы можем видеть, что вблизи рассматриваемого интервала времени сигнал спутника GPS G17 вообще полностью пропадает. При этом на спутнике ГЛОНАСС R19 (рис.2б) резко возрастает вариабельность ПЭС. Сигналы, полученные от других спутников, демонстрируют эффекты, подобные эффекту, приведенному на рис.2а, или же возрастание вариабельности ПЭС, подобные рис.2б.

Рис.2. Истинный вертикальный TEC (VTEC) по фазе и его сглаженное значение (TrendvTEC) с учетом аппаратных задержек спутника и приемника (верхний график), вариации вертикального TEC (dVTEC) (отклонение относительного наклонного TEC от его фонового значения - средний график), скорость изменения вертикального TEC (difTEC): а - для GPS-спутника G17; б - для ГЛОНАСС-спутника R19

96

В то же время для интервала времени вблизи 18.10 UT резких изменений ПЭС не обнаруживается, а изображение положения спутников и полярных сияний свидетельствует о возможности беспрепятственного прохождения навигационного сигнала от космического аппарата к приемнику. Такая ситуация имеет место потому, что полярные сияния не полностью перекрывают поле зрения приемника от сигналов других спутников.

Сопоставление положения аврорального овала с пространственновременным распределением неоднородностей ПЭС

Для сравнения и исследования взаимного расположения распределений оптических полярных сияний были использованы данные по магнитной буре 6-7 января 2015 г., которая характеризовалась следующими параметрами (максимальный Кр = 6, АЕ =1327 нТл, Dst = -99 нТл). При помощи программного обеспечения, разработанного для прогноза обнаружения сияний аврорального овала [10-12], были построены профили овалов полярных сияний и совмещены с профилями неоднородностей для 4 станций (AB18 66.71N 162.61W, TIXI 71.38N 128.52E, KIR0 67.51N 21.03E, NNVN 61.47N 44.90W; рис.3.).

Рис.3. Положение овала полярных сияний относительно станций приема навигационного сигнала 07.01.2015 10:30 UT

97

ABI8 (66.71,-162.61) 2015 Январь, 06 географическая широта -

UT

АВ18 (66.71,-162.61) 2015 Январь, 07 географическая широта - UT

Рис.4. Пространственные распределения сияний и неоднородностей ПЭС для спокойного уровня 06.01.2015 и возмущенного 07.01.2015

На рисунке 4 представлены пространственные распределения сияний и неоднородностей ПЭС для спокойного уровня 06.01.2015 и возмущенного

07.01.2015. Очевидно, что при различной возмущенности картины распределений могут значительно отличаться.

Сразу отметим важную особенность при сравнении пространственных распределений сияний и неоднородностей ПЭС в период магнитной бури

07.01.2015. И те и другие распределения имеют овальную форму с максимальной шириной и интенсивностью в полуночные часы местного времени. Причем именно на тех станциях, которые расположены вблизи полуночи, наблюдается хорошее совпадение фигур.

98

Как видно из рис.4, на станциях AB18 и TIXI наблюдается совпадение овалов сияний и неоднородностей. Это соответствует ночному времени суток. Однако на станциях KIR0 и NNVN овалы не совпадают. Это может быть связано как с географическим положением станций, так и с высотой сияний.

Заключение

В работе рассмотрена возможность диагностики и прогноза пространственно-временного распределения неоднородностей ПЭС, ответственных за качество приема навигационного сигнала на основе наблюдений полярных сияний как маркера этого распределения. По локальным измерениям вариаций ПЭС и полярных сияний такая возможность показана. В рамках планетарных измерений пространственно-временных распределений продемонстрирован факт овального распределения того и другого явления. Высокая степень подобия наблюдается для ночной стороны овала, что может быть обусловлено тем, что именно там сконцентрированы дискретные формы сияний, на основе измерений которых сформулировано понятие аврорального овала. Высказано предположение, что на основе существующей методики прогноза параметров овала полярных сияний возможен и прогноз овала неоднородностей ПЭС. Приведенные данные могут быть полезны для повышения качества работы навигационных систем типа ГЛОНАСС и GPS.

Благодарности

Авторы благодарят И. И. Шагимуратова (ЗФ ИЗМИРАН) за предоставление данных по неоднородностям ПЭС на сети станций. Ф. Сигернеса (UNIS, Норвегия) за консультации по использованию программного обеспечения. Работы выполнена при поддержке грантов РФФИ 14-05-98820 р_север_а и 14-07-00512.

Литература

1. Afraimovich E. I., Perevalova N. P. GPS-monitoring of the Earth’s upper atmosphere // Irkutsk: SC RRS SB RAMS. 2006. P. 480.

2. GPS scintillation in the high arctic associated with an auroral arc / A. M. Smith,

C. N. Mitchell, R. J. Watson, R. W. Meggs, P. M. Kintner, K. Kauristie,

F. Honary // Space Weather. 2008. 6. Р. S03D01.

3. Chernouss S. A., Kalitenkov N. V. The dependence of GPS positioning deviation on auroral activity // International Journal of Remote Sensing. 2011. 32(1). Р. 3005-3017.

4. Способ определения местоположения объекта / Н. В. Калитенков,

A. Н. Калитенков, В. И. Милкин, Е. Д. Терещенко, С. А. Черноус // Описание изобретения к патенту RU 2484494 C1., 07.11.2011.

5. GPS phase fluctuations and ultraviolet images from the Polar satellite / J. Aarons,

B. Lin, M. Mendillo, K. Liou, M. Codrescu // Journal Geophysical Research. 2000. 105. Р. 5201-5213.

6. Исследование особенностей навигационных сигналов в период авроральных возмущений / C. А. Черноус, М. В. Швец, М. В. Филатов, И. И. Шагимуратов, Н. В. Калитенков // Химическая физика. 2015. T. 34, № 10.

7. Vertical TEC representation by IRI 2012 and IRI Plas models for European midlatitudes / I. E. Zakharenkova, Iu. V. Cherniak, A. Krankowski,

99

I. I. Shagimuratov // Advances in Space Research. 2015. 55(8). P. 2070-2076, doi: 10.1016/j.asr.2014.07.027.

8. Phase fluctuations of GPS signals associated with aurora / I. Shagimuratov, S. Chernous, Iu. Cherniak, I. Zakharenkova, I. Efishov // Proceedings of the 9th European conference on antennas and propagation (Lisbon, 12-17 April 2015). Paper №1570053943, 2015.

9. High latitude TEC fluctuations and irregularity oval during geomagnetic storms / I. I. Shagimuratov, A. Krankowski, I. Efishov, Iu. Cherniak, P. Wielgosz, I. Zakharenkova // Earth Planets Space. 2012. Vol. 64, No 6. Р. 521-529.

10. Starkov G. V. Mathematical model of the auroral boundaries // Geomagnetism and Aeronomy. 1994. 34. P. 331-336.

11. Real time aurora oval forecasting - SvalTrackII / F. Sigernes, M. Dyrland, P. Brekke, E. K. Gjengedal, S. Chernouss, D. A. Lorentzen, K. Oksavik, C. S. Deehr // Optica Pura y Aplicada (OPA). 2011. 44. P. 599-603.

12. Feldstein, Y. I., Starkov G. V. The auroral oval and the boundary of closed field lines of the geomagnetic field // Planet. Space Sci. 1970. 18. P. 501-508.

13. Starkov G. V. Statistical dependences between the magnetic activity indices // Geomagnetism and Aeronomy. 1994. 34. P. 101-103.

14. Costello K. A. Moving the rice MSFM into a real-time forecast mode using solar wind driven forecast models: PhD dissertation. Houston: Rice University, TX, 1997.

Сведения об авторах Филатов Михаил Валерьевич,

младший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, mijgun@yandex.ru

Швец Михаил Васильевич,

старший инженер, Полярный геофизический институт, г. Мурманск, shvec@pgi.ru Пильгаев Сергей Васильевич,

младший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, pilgaev@pgia.ru

Ларченко Алексей Викторович,

младший научный сотрудник, Полярный геофизического институт, г. Апатиты, alexey. larchenko @gmail. com

Черноус Сергей Александрович,

к.физ.-мат.н., старший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, chernouss@pgia.ru

100