Особенности приема навигационных сигналов на Шпицбергене в условиях развития полярных сияний

УДК 550.388.2

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

ОСОБЕННОСТИ ПРИЕМА НАВИГАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ НА ШПИЦБЕРГЕНЕ В УСЛОВИЯХ РАЗВИТИЯ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ

Аннотация

В работе проведен сравнительный анализ данных приема навигационных сигналов высокоорбитальных спутников 13 января 2013 г. в условиях развития полярных сияний на станциях Нью-Олезунд и Баренцбург. Делается вывод о том, что дискретные сияния, определяющие состояние полярной ионосферы, являются независимым доминирующим признаком влияния ионосферных авроральных возмущений на распространение навигационных сигналов.

Ключевые слова:

навигационные системы, авроральные возмущения, полярные сияния.

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

FEATURES OF NAVIGATION SIGNALS RECEIVING DURING AURORAL ACTIVITY AT SHPITSBERGEN

Abstract

The comparative analysis of high orbital satellites navigation GPS signals were done for 13 January 2013 by observations at auroral stations New Olesund and Barentsburg. The conclusion is that the discrete aurora, determining the state of the polar ionosphere, could be independent signature of the dominant influence of ionospheric auroral disturbances on of navigation signals parameters.

Keywords:

navigation systems, auroral disturbances, aurora.

Введение

Появление данной работы связано с публикацией данных синхронных измерений параметров приема сигнала во время развития полярных сияний на Шпицбергене (Нью-Олезунд) 13 января 2013 г. [1]. В этот период полярные сияния были зарегистрированы камерой всего неба, работающей в Нью-Олезунде (78.92К, 11.92Е), одновременно с красным свечением пятен, приходящих с северо-запада. Авторы работы утверждают, что нарушения приема ОР8-сигнала проявляются в интервалы времени именно тогда, когда красные сияния по данным камеры всего неба соединяются с приходящими красными пятнами. В то же время существуют доказательства того, что на прием навигационных сигналов заметное влияние оказывают области ионосферы, содержащие дискретные формы сияний [2, 3].

Мы решили проверить оба этих утверждения на основе сравнения данных, полученных на станциях Нью-Олесунд и Баренцбург (78.09К, 14.21Е), расположенной южнее.

Материалы и методы

На рис. 1, 2 приводится общая геофизическая обстановка 13 января 2013 г. Планетарные индексы (рис. 1) показывают, что выбранные события являют собой типичное развитие магнитной бури средней интенсивности (максимум Dst ~ -30 нТл, максимальный ^-индекс — 4). Согласно магнитограммам сети IMAGE (http://space.fmi.fi/image), рассматриваемое событие происходило в период времени, когда максимальная отрицательная бухта в Х-компоненте (рис. 2) была отмечена на меридиане Баренц-региона, в районе о. Хоупена (76.51N, 25.01E), а спад интенсивности приходился как на более северные станции, расположенные на Шпицбергене (Хорнзунд (77.51N, 15.60E), Лонгиеарбюен (78.20N, 15.82E) и Нью-Олесунд (78.92N, 11.95E)), так и на более южные (Тромсё (69.66N, 18.94E) и Кируна(67.84^ 20.42E)). Рисунки 2-5 являются результатом анализа совместных данных, полученных на указанных станциях.

Представленные по Нью-Олесунду данные включают в себя:

1) картины всего неба в эмиссии кислорода 630.0 нм и кеограммы развития полярных сияний в этой эмиссии и позволяющие наблюдать красные пятна свечения;

2) фазовые сцинтилляции GPS-сигнала (в т. ч. их усредненные значения);

3) местоположение навигационных спутников на снимках камеры всего неба.

Представленные по Баренцбургу данные включают в себя:

1) картины всего неба, полученные гиперспектральной камерой в основных

+

авроральных эмиссиях N2 470.9 нм, OI 557.7 нм, OI 630.0 нм, позволяющие

видеть структуру сияний;

2) местоположение навигационных спутников на снимках камеры всего неба;

3) данные приема GPS-сигнала (difTEC) со спутников G9, G17, G18 и G24 на станции Баренцбург.

Кр jj П_л 1

шшшЛт .hJ k-ii it MJUffli

: I 11 клМк kl irii

пТ 20 Dst

r'Vv''1

-30 *

ЛО

"т 10 11 12 13 14 15 16 ЯНВАРЬ 2013

Рис. 1. Развитие геомагнитной бури 13 января 2013 г. согласно планетарным индексам геомагнитной активности Kp, АЕ, Dst

NAL

LYR

HOR

18 19 20 21 22 23

Hour

Рис. 2. Развитие геомагнитной бури 13 января 2013 г. по данным Х-компоненты сети магнитометров IMAGE в Баренц-регионе: Нью-Олесунд

Следует отметить, что оптическая камера всего неба на станции Баренцбург позволяет хорошо различать различные формы полярных сияний (рис. 5), в отличие от камеры в Нью-Олесунде (рис. 4), интегрирующей их интенсивность по времени, соизмеримом со временем жизни эмиссии 630.0 нм (~ 100 с), для повышения чувствительности.

На рис. 5 представлено расположение навигационных спутников на фоне полярных сияний, снятых камерой NORUSCA [3], располагающейся в обсерватории Баренцбург. Она представляет собой гиперспектральную камеру, оснащенную акустооптическим светофильтром без движущихся оптико-механических частей. Высокая скорость переключения спектральных полос и их произвольная выборка позволяет производить последовательное сканирование избранных рабочих эмиссий с темпом, определяемым только необходимыми временами экспозиции.

На рис. 3 в верхней части приведены данные из работы [1]. Сверху вниз: кеограмма эмиссии 630.0 нм, фазовые сцинтилляции GPS-сигнала (номера спутников обозначены разными цветами), усредненные сцинтилляции. Согласно рис. 3, а и б, фазовые сцинтилляции для станции Нью-Олезунд во время существования на трассе сигнала дискретных форм сияний в период 21.20-21.40 UT (интервал, выбранный в работе [1]) испытывают рост для спутников G9, G15, G17. На этом же отрезке времени обнаруживается рост флуктуаций TEC при приеме сигналов тех же спутников G9, G15, G17 при приеме сигналов на станции Баренцбург с добавлением спутника G24 (рис. 3, г-ж). На рис. 5 видно, что данная группа

сигналов проходит через область существования дискретных полярных сияний. Таким образом, данные, характеризующие нарушение приема сигнала или увеличение погрешностей на станции Нью-Олезунд, совпадают по времени с данными вариаций ПЭС, полученными на станции Баренцбург для спутников, находящихся в диапазоне углов места, совпадающих с положением интенсивных полярных сияний.

Рис. 3. Данные, полученные на Шпицбергене 13 января 2013 г.: a) кеограмма эмиссии 630.0 нм в Нью-Олесунде; б) фазовые сцинтилляции GPS-сигнала в Нью-Олесунде (по оси ординат номер спутника, для каждого

спутника на графике свой цвет); в) усредненные фазовые сцинтилляции в Нью-Олесунде; г-ж) вариации полного электронного содержания (DifTEC) для навигационных спутников, сигнал с которых зарегистрирован в Баренцбурге и проходит сквозь полярные сияния; з-к) вариации ПЭС (DifTEC) для навигационных спутников, сигнал с которых зарегистрирован в Баренцбурге, не проходит сквозь дискретные формы сияний и не имеет значимых флуктуаций; л-н) вариации ПЭС (DifTEC) для навигационных спутников, сигнал с которых зарегистрирован в Баренцбурге, не проходит сквозь дискретные формы и имеет значимые флуктуации

Рис. 4. Положение красных полярных сияний, наблюдаемых камерой всего неба (в условных цветах) в Нью-Олесунде, и положение навигационных спутников в поле зрения приемной антенны

BARENTSBURG 13.01 13 21 10 OSUT RGB=]6300 5577 470<Ц

W •

- G18

SW-

• G15 .

BARENTSBURG 13 01 13 21 14 04UT RGB=|6300 5577 4709IA

.....

G22

BARENTSBURG 13 01 13 21 18 05UT RGB=[6300 5577 4709JA

G11

3k

3,- g

w • - G18

. G18

G24 G11 ' GlV*

, G9 G2#8 G17

se

. G9 G28

1Ы

s ......;

G17 -"e

.G1:

]EI 4 08' . Az -53 80']

78 09'N 14 2ГЕ Luna(-15 6.300 3)' 6 1* Sun(-31 4.326 4]'

BARENTSBURG 13 01 13 21 22 05UT RGB=[6300 5577 47091A

.....

[El 4 08'. Az-53 80']

78 09'N 14 21'E ÜJna<-15 8.301 3]'61% Sun(-31 5.3J7 4]'

BARENTSBURG 13.01 13 21 26 OSUT 3k

RGB=[6300 5577 47091A _

(El 4 08'. Az -53 80']

7B 09'N 14 21'E Luna(-15 9.302 3)' 61% Sun(-31 7.328 Sf

BARENTSBURG 13 01 13 21 30 OSUT RG8=(6300 5577 47091A

G22

.' G22

w -- G18

G22

•V? I

G11

6,1 .«r|

G9 G28

G11

• G-17 -4e

*-. 15

G24 G11 •G': |

G9 G28.

.G17 "e 3"

|EI 4 08'. Az -53 80']

78 09'N 14 21*E luna(-16 1.303 3)'6 1% Sun(-31 8.329 6]'

[El 4 08*. Az -53 80']

78 09'N 14 21'E Lura(-16 2.304 2)' 6 1% Sun(-31 9.330 7)-

[El 4 08'. Az -53 80']

76 09'N 14 21'E Luna(-16 4.305 2)' 6 2% Sun(-32 0.331 8|'

Рис. 5. Положение красных полярных сияний, наблюдаемых гиперспектральной камерой всего неба в Баренцбурге в основных авроральных эмиссиях N+ 470.9 нм, OI 557.7нм, OI 630.0 нм

На рис. 3, з-к, приведены данные DifTEC по приему сигналов спутников, находящихся вне дискретных форм, не обнаруживающие значительных изменений, несмотря на то, что навигационные сигналы с этих спутников проходят сквозь красные пятна в F-области ионосферы (рис. 4).

Особо следует выделить наблюдения изменений сигналов группы из трех спутников (рис. 3 л, м, н), не совпадающие по времени с появлением дискретных форм сияний, но демонстрирующих значимые флуктуации ПЭС (G1, G11, G28). Два из этих спутников G1 и G11 находятся вблизи горизонта, где вероятность флуктуаций просто за счет геометрических условий их расположения высока. Что касается сигналов спутника G28, то они большую часть времени в рассматриваемом интервале не проходят ни сквозь дискретные структуры, ни сквозь красные пятна и в данной работе объяснения не находят.

Заключение

Сопоставление данных наблюдений полярных сияний и данных приема навигационных сигналов на разнесенных по широте станциях показывает, что могут иметь место синхронные нарушения приема GPS, выраженные практически одновременно на станциях Нью-Олесунд и Баренцбург.

На основании сопоставления оптических и радиофизических данных на двух станциях можно заключить, что предпочтительной является гипотеза, по которой нарушение и ухудшение качества приема GPS-сигналов обусловлено состоянием ионосферы, насыщенной преимущественно дискретными формами

сияний, входящими в поле зрения приемника с экваториальной стороны, но не в случае соприкосновения красных пятен с дискретными сияниями, как утверждалось в работе [1].

Благодарности. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 14-0598820 р_север-а. Авторы благодарят лабораторию радиопросвечивания Полярного геофизического института за предоставление данных приема GPS-сигналов, полученных в Баренцбурге, Ю. В.Федоренко за помощь в работе.

Литература

1. Jin Y., Moen J. I., Miloch W. J. GPS scintillation effects associated with pilar cap patches and substorm auroral activity: direct comparison // J. Space Weather Space Clim. 2014. 4. A23.

2. Chernouss S. A., Kalitenkov N. V. The dependence of GPS positioning deviation on auroral activity // Intern. J. Remote Sensing. 2011. 32(1). P. 3005-3017.

3. Hyperspectral all-sky imaging of auroras / F.Sigernes [et al.] // Optical Society of America Optics Express. 2012. Vol. 20, Issue 25. P. 27650-27660. DOI: 10.1364/0E.20.02765

Сведения об авторах Филатов Михаил Валерьевич

младший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты E-mail: mijgun@yandex.ru

Швец Михаил Васильевич

старший инженер, Полярный геофизический институт, г. Мурманск E-mail: shvec@pgi.ru

Черноус Сергей Александрович

старший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты E-mail: chernouss@pgia.ru