Тропосферная зенитная задержка по данным GPS-станций ulaz, IRKT и badg

Представленные в работе результаты демонстрируют тропосферные эффекты, связанные с сейсмической активностью, которые могут быть использованы для кратковременных прогнозов крупных землетрясений совместно с известными предвестниками сейсмической опасности. Эти результаты показывают также возможность визуализации акустических гравитационных волн и внутренних гравитационных волн в тропосфере с использованием данных зондирования атмосферы с космических аппаратов.

Библиографические ссылки

1. Матвеев Л. Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. Л. : Гидрометеоиздат, 1984.

2. Афраймович Э. Л., Перевалова Н. П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск : ГУ НЦ ЗВХ ВСНЦ СО РАМН, 2006.

3. Госсард Э. Э, Хук У. Х. Волны в атмосфере. М. : Мир, 1978.

4. Кашкин В. Б., Симонов К. С. Космический мониторинг: атмосферные отклики сильных землетрясений, обнаруживаемые космическими средствами дистанционного зондирования Земли // Инженерная экология. 2011. № 2 (98). С. 38-54.

5. Кашкин В. Б., Сухинин А. И. Дистанционное зондирование Земли из космоса. Цифровая обработка изображений. М. : Логос, 2001.

6. Technical Documentation Introduction Page [Electronic resource]. URL: http://www2.ncdc.noaa.gov/docs/klm.

7. Персональные станции приема, хранения и обработки изображений Земли из космоса - основная продукция Инженерно-технологического центра СканЭкс [Электронный ресурс]. URL: http://scanex.ru/ru/stations.

8. Index of /opsats/polar/iapp [Electronic resource]. URL: http://cimss.ssec.wisc.edu/opsats/polar/iapp/.

9. READY Current & Forecast Meteorology. Forecast Model Graphics [Electronic resource]. URL: http://www.arl. noaa. gov/ready/cmet.html.

10. The old maps and event pages have been replaced [Electronic resource] URL: http://earthquake.usgs.gov/ earthquakes/recenteqsww/Quakes/usc0007dax.php.

11. Шулейкин В.В. Физика моря. М. : Наука, 1968.

12. News & Comment [Electronic resource]. URL: http://www.nature.com/nature.

References

1. Matveev L. T. Fizika атмосферы (Physics of the Atmosphere). Leningrad, Hidrometeoizdat, 1984. 752 p.

2. Afraimovich E. L., Perevalova N.P. GPS-monitoring verkhney atmosfery (GPS-Monitoring of the earth’s Upper Atmosphere). Irkutsk, RAS Institute of Solar-Terrestrial Physics, 2006. 480 p.

3. Gossard E. E., Hooke W. H. Waves in the Atmosphere. Elsevier, Oxford-New York, 1975.

4. Kashkin V. B., Simonov K. S. Ingenernaya Ekolo-gia (Engineering Ecology), 2011, № 2, pp. 38-54.

5. Kashkin V. B., Sukhinin А. I. Distancionnoye zon-dirovanie Zemly iz kosmosa. Cifrovaya obrabotka izobra-zeniy (Remote sensing. Image Processing). Moscow, Logos, 2001. 264 p.

6. Available at: http://www2.ncdc.noaa.gov/docs/klm

7. Available at: http://scanex.ru/ru/stations

8. Available at: http://cimss.ssec.wisc.edu/opsats/polar/ iapp/.

9. Available at: http://www.arl.noaa.gov/ready/cmet. html

10. Available at: http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/ recenteqsww/Quakes/usc0007dax.php

11. Shuleykin V. V. Fizika Morya (Sea Physics). Moscow, Nauka, 1968. 1090 p.

12. Available at: http://www.nature.com/nature.

© Григорьев А. С., Кашкин В. Б., 2013

УДК 551.501:537.874.34

ТРОПОСФЕРНАЯ ЗЕНИТНАЯ ЗАДЕРЖКА ПО ДАННЫМ GPS-СТАНЦИЙ ULAZ, IRKT И BADG*

Ю. Б. Башкуев1, М. Г. Дембелов1, А. В. Лухнев2, В. А. Саньков2

'Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук Россия, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6 2Институт земной коры Сибирского отделения Российской академии наук Россия, 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 128. E-mail: mdembelov@yandex.ru

На основе многолетних измерений радиосигналов на сети постоянно действующих GPS станций ULAZ, IRKT и BADG, разнесенных на расстояние до 230 км, получены оценки тропосферной зенитной задержки (ТЗЗ), определяемой при обработке первичных GPS данных с помощью программного пакета GAMIT. ТЗЗ отражает вариации различных атмосферных процессов. Проведен детальный анализ данных GPS станции ULAZ, полученных за период с 1999 по 2010 гг.

Ключевые слова: GPS, тропосферная зенитная задержка, атмосферные процессы.

* Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ-Сибирь № 12-05-98051 и интеграционного проекта СО РАН № 11.

TROPOSPHERE ZENIT DELAY ACCORDING TO GPS DATA OF ULAZ, IRKT AND BADG STATIONS

Yu. B. Bashkuev1, M. G. Dembelov1, A. V. Loukhnev2, V. A. Sankov2

'institute of Physical Materials Sciences of the Russian Academy of Sciences, Siberian Branch 6 Sakhyanova st., Ulan-Ude, 670047, Russia 2Institute of the Earth’s Crust of Siberian Branch Russian Academy of Sciences 12 Lermontov st., Irkutsk, 664033, Russia. E-mail: mdembelov@yandex.ru

Estimations of the zenith troposphere delay (ZTD) detected at primary GPS data processing using GAMIT program are received on the base of multiyear measurements of radio signals on a net of regular GPS stations of ULAZ, IRKT and BADG spaced out up to 230 km. ZTD reflects variations of different atmosphere processes. The detailed analysis of GPS data of the ULAZ station for the period of1999-2011 is presented.

Keywords: GPS, troposphere zenith delay, atmosphere processes.

Развитие радиофизических методов для глобального изучения радиоклимата и условий радиосвязи в атмосфере Земли с помощью высокостабильных сигналов спутниковых навигационных систем (ГЛОНАСС, GPS, GALILEO и других) является актуальным направлением междисциплинарной темы «Фундаментальные проблемы естественных и искусственных электромагнитных полей Земли». Дистанционное зондирование с использованием GPS и ГЛОНАСС радиосигналов позволяет определить характеристики тропосферы [1]. Возникающие из-за тропосферной рефракции погрешности в РСА данных ограничивают возможности радарной интерферометрии при высокоточных определениях геофизических и геометрических параметров [2].

Цель работы - проанализировать данные GPS станций ULAZ, IRKT и BADG, полученные за период с 1999 по 2011 гг. и показать возможности исследования тропосферы с помощью системы наземных GPS -ГЛОНАСС приемников, разнесенных в пространстве [3]. Совместно с ИЗК СО РАН проведен анализ данных GPS приемника ULAZ в части определения ТЗЗ за 1999-2010 гг. ТЗЗ является одной из наиболее существенных поправок, которые учитываются при высокоточных геодезических расчетах по GPS данным. Определяемая с помощью программного пакета GAMIT ТЗЗ отражает вариации различных атмосферных процессов. ТЗЗ является суммой «сухой» или гидростатической (ТГЗ) и «влажной» (ТВЗ) составляющих. ТЗЗ изменяется примерно от 6 до 8 нс по времени (1,9-2,4 м или 10-12 фазовых циклов на частоте L1 = 1575,42 МГц) в зависимости от метеоусловий и местоположения. При уменьшении угла возвышения а тропосферная задержка увеличивается как косеканс а этого угла, поэтому задержка на частоте L1 с углом а в 20° может достигать от 30 до 36 циклов. Тропосферная задержка определяется коэффициентом преломления тропосферы n = -\/є да 1 + (є -1) / 2 , где є - диэлектрическая проницаемость воздуха. При этом восприимчивость кЭ = (є - 1) смеси сухого воздуха и водяного пара подчиняется закону аддитивности, т. е. равна сумме восприимчивости отдельных газов смеси, пропорциональных их парциальным давлениям. Закону аддитивности соответствует и широко

используемый в радиометеорологии индекс рефрак-

ПП £\ 'Х П'Х 1 Г»6

ции [4] N = (п -1)-105 = t Р + 3-—2 е = NT + Ne,

где NT - индекс рефракции для сухого воздуха, зависящий от изменений температуры и давления воздуха, Ne - индекс рефракции для водяного пара, T - абсолютная температура, К; p - атмосферное давление, мбар; е - упругость водяного пара, мбар (1 мбар = 102 Н/м). Формула для N дает возможность определить индекс рефракции (коэффициент преломления), если известны температура, давление и упругость водяного пара в пункте приема GPS сигналов (рис.1).

Для средних летних условий в г. Улан-Удэ T = 290 К; p = 950 мбар; е = 12 мбар. Для зимы T = 253 К; p = 965 мбар; е = 1 мбар. В районе г. Улан-Удэ в среднем у поверхности Земли п = 1,000 301 4 и N = 301,4. Из формулы для N следует, что ТЗЗ также является суммой «сухой» (ТГЗ) и «влажной» (ТВЗ) составляющих. Атмосферный водяной пар влияет на скорость распространения GPS сигналов. В целом «влажная» составляющая (ТВЗ) вносит значительно меньший вклад в ТЗЗ, особенно в зимний период. Ее вклад можно оценить отношением Ne / Nt которое изменяется для г. Улан-Удэ от 0,02 зимой до 0,24 летом. Следовательно, «сухая» задержка ТГЗ составляет определяющую часть ТЗЗ, но исследование ТВЗ очень перспективно в климатологии. Временные ряды ТЗЗ и атмосферного давления на станции ULAZ за 2005-2010 гг. с устойчивым годовым ходом показаны на рис. 2.

Осенью, зимой и весной, когда сезонные параметры показателя преломления обладают значительной устойчивостью (особенно зимой), численные значения ТЗЗ имеют минимумы, примерно равные 2,2 м. Повышение давления зимой относительно лета составляет в среднем 20 мбар. При летнем уменьшении атмосферного давления всегда наблюдается увеличение ТЗЗ из-за относительно высокого влагосодержа-ния воздуха. Летнее увеличение ТЗЗ связано с увеличением атмосферного водяного пара над пунктом GPS измерений, т. е. с увеличением ТВЗ. Однако в целом ТВЗ вносит значительно меньший вклад в ТЗЗ, особенно зимой. Если принять среднее значение ТГЗ равным 2,2 м, то добавка за счет ТВЗ в летнее время

! Ц Ш IV V VI VI! VIII IX X XI XI! I б

у VII а х!

в

і п ш IV V и 1/ц т/х а н л/

г

Рис. 1. Годовой ход: а - температуры; б - влажности; в - атмосферного давления по данным станций Гидрометслужбы Республики Бурятия (1 - ст. Улан-Удэ; 2 - ст. Баргузин;

3 - ст. Усть-Баргузин); г - N и N по месяцам для г. Улан-Удэ

Рис. 2. Временные ряды тропосферной зенитной задержки

на станции иЬЛ7 за 2005-2010 гг.

а

Рис. 3. Годовой ход ТЗЗ ОРБ станции ЦЪЛ7 за 1999-2010 гг.

0.15 2 0 1 I 0.05

а

я о 4

О -0.05 с о

£ -0 1 -0.15 -0.2

0 50 100 150 „„200 250 300 350 40С

дни

ДНИ

0.2

0.15

3 0.1

flj

£ о. 0.05

£ (Л 0

-в-

и о -0.05

=

о

Cl е -0.1

-0.15

-0.2

О 50 100 150 200 250 300 350 400

дни

Рис. 4. Сравнение годового хода ТВЗ для GPS станций ULAZ, IRKT и BADG за 2011 г.

составит 0,2-0,27 м, т. е. не превышает (8-12) % от ТГЗ. Ряд ТЗЗ с июля 1999 г. по декабрь 2010 г. приведен на рис. 3. Сравнение ТВЗ для GPS станций ULAZ, IRKT и BADG за 2011 г. представлено на рис. 4. Отчетливо видна высокая степень корреляции ТВЗ между тремя станциями, разнесенными в пространстве до 230 км.

Таким образом, для GPS станции ULAZ на 11-летнем интервале времени определена ТЗЗ, которая изменялась в пределах 2,1-2,47 м. «Влажная» (ТВЗ) составляющая достигает 0,27 м и определяется содержанием водяного пара в тропосфере. Многолетний ход ТВЗ характеризует климатические явления в регионе. Полученные результаты позволяют построить региональную пространственно-временную модель ТЗЗ и определить вариации трехмерных полей содержания водяного пара с помощью сетей наземных GPS приемников [3].

Библиографические ссылки

1. Калинников В. В., Хуторова О. Г., Тептин Г. М. Использование сигналов спутниковых навигационных систем для определения характеристик тропосферы // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48, № 6. С. 705-713.

2. Atmospheric delay analysis from GPS meteorology and InSAR APS / S. Cheng, D. Perissin, H. Lin, F. Chen // J. of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2012. Vol. 86. P. 71-82.

3. Сейсмоионосферные и сейсмоэлектромагнитные процессы в Байкальской рифтовой зоне / Э. Л. Аф-раймович [и др.] ; под ред. Г. А. Жеребцова. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2012.

4. Цыдыпов Ч. Ц. Распространение ультракоротких радиоволн в гористой местности. Новосибирск : Наука, 1977.

References

1. Kalinnikov V. V., Khutorova O. G., Teptin G. M. Izvestiya RAN. Fizika atmosfery i okeana, 2012. Vol. 48, no. 6, p. 705-713.

2. Cheng S., Perissin D., Lin H., Chen F. Atmospheric delay analysis from GPS meteorology and InSAR APS, Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2012, vol. 86, pp.71-82.

3. Afraimovich E. L. [and oth.] Seismoionosfernye i seismoelektromagnitnye processy v Baikal’skoy riftovoy

zone (Seysmoionosfernye seysmoelektromagnitnye and processes in the Baikal Rift Zone). Edited by G. A. Zherebtsov. Russ. Acad. of Sciences, Siberian Div., Inst. of Solar-Terr. Physics. Novosibirsk, Izdatel’stvo SO RAN, 2012. 304 p.

4. Tsydypov Ch. Ts. Rasprostraneniye ultrakorotkih radiovoln v goristoy mestnosti (Distribution of ultrashort radio waves in the mountainous terrain). Novosibirsk, Nauka, 1977, 208 p.

© EamKyeB M. E., ,3,eM6eflOB M. r., HyxHeB A. B., CaHbKOB B. A., 2013

УДК 537; 629.784; 533.95

НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ АКТИВНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ «ПЛАЗМА-ПРОГРЕСС» И «РАДАР-ПРОГРЕСС»*

В. В. Хахинов, А. П. Потехин, В. П. Лебедев, Д. С. Кушнарев, С. С. Алсаткин

Институт солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук Россия, 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 126а. E-mail: khakhin@iszf.irk.ru

Проведены активные космические эксперименты по исследованию возмущений в ионосфере, генерируемые выхлопными газами двигателей космических аппаратов. Основные результаты, полученные методом некогерентного рассеяния, показали, что небольшие массы выхлопных газов вызывают снижение электронной концентрации до 40 % в областях с размерами десятки километров и временами существования до 20 минут.

Ключевые слова: ионосфера, электронной концентрация, активные космические эксперименты, космические аппараты, Иркутский радар некогерентного рассеяния

SOME RESULTS OF “PLASMA-PROGRESS”

AND “RADAR-PROGRESS” ACTIVE SPACE EXPERIMENTS

V. V. Khakhinov, A. P. Potekhin, V. P. Lebedev, D. S. Kushnarev, S. S. Alsatkin

Institute of Solar-Terrestrial Physics of the Russian Academy of Sciences Siberian branch 126a Lermontov st., Irkutsk, 664033, Russia. E-mail: khakhin@iszf.irk.ru

We carried out active space experiments for studying ionospheric disturbances generated by spacecraft engine exhaust. Incoherent scatter results showed that the small mass of the exhaust gases causes a decrease in the electron density up to 40 % with tens of kilometers in sizes and with up to 20 minutes in lifecycle.

Keywords: ionosphere, electron density, active space experiments, spacecraft, Irkutsk incoherent scatter radar.

Начиная с 2007 г. ракетно-космическая корпо- после отстыковки от международной космической

рация «Энергия» им. С. П. Королева, ФГУП «Цен- станции. Используется наземный комплекс оптикотральный научно-исследовательский институт маши- электронных и радиофизических инструментов ИСЗФ

ностроения» и Институт солнечно-земной физики СО РАН. Основным исследовательским инструмен-

Сибирского отделения Российской академии наук том является Иркутский радар некогерентного рас-

(ИСЗФ СО РАН) проводят активные космические сеяния (ИРНР) [1].

эксперименты (КЭ) «Радар-Прогресс» (до 2010 г. Сеансы КЭ проводятся во время нахождения ТГК

«Плазма-Прогресс») по исследованию пространст- «Прогресс» в основном лепестке диаграммы направ-

венно-временных характеристик ионосферных воз- ленности (ДН) ИРНР при определенном сочетании

мущений, генерируемые высокоскоростной выхлоп- известных условий, таких как: гелио-геофизические

ной струей жидкостных реактивных двигателей обстановка, тип ЖРД, координаты ТГК, положение

(ЖРД) транспортного грузового корабля (ТГК) серии Солнца, направление скорости выхлопной струи ЖРД.

«Прогресс». ТГК привлекаются к участию в КЭ в ре- К настоящему времени выполнено 12 сессий, в тече-

жиме автономного полета на высоте ~3 50-400 км ние которых проведено 63 сеанса.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ (Государственный контракт № 14.518.11.7065, соглашения № 8388 и 8б99) и РфФи (гранты № 13-05-00456-а и 13-0200957-а).