Шагимуратов И.И., Тепеницына Н.Ю., Черняк Ю.В., Якимова Г.А

РРВ-24
Распространение радиоволн и дистанционное зондирование верхней атмосферы
и космического пространства
___________________________________________________________________________________________
ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИСТЕМЫ ГЛОНАСС
ДЛЯ ОЦЕНКИ ПОЛНОГО ЭЛЕКТРОННОГО СОДЕРЖАНИЯ ИОНОСФЕРЫ
И.И. Шагимуратов, Н.Ю. Тепеницына, Ю.В. Черняк, Г.А. Якимова, Л.М. Колтуненко
Западное отделение Института земного магнетизма, ионосферы
и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН,
236010, г. Калининград, пр. Победы, 41,
E-mail: [email protected]
Дан сравнительный анализ по измерению полного электронного содержания (ПЭС) ионосферы на основе двухчастотных измерений задержек сигналов спутников ГЛОНАСС и GPS систем. Обсуждаются особенности определения абсолютной величины ПЭС и восстановления суточного хода над станцией наблюдения по групповым измерениям задержек сигналов ГЛОНАСС.
FEATURES OF USING GLONASS SYSTEM FOR ESTIMATE
OF IONOSPHERIC TOTAL ELECTRON CONTENT
I.I. Shagimuratov, N.Yu. Tepenitsyna, Yu.V. Cherniak, G.A. Yakimova, L.M. Koltunenko
The comparative analysis on measurement of the total electron contents (TEC) of the ionosphere based on
dual-frequency measurements of delays of signals of the GLONASS and GPS satellites systems is given. The difference and similarity of diurnal variations of TEC obtained with GLONASS/GPS are discussed.
Введение
В настоящее время одним из широко используемых методов исследования верней атмосферы Земли является радиопросвечивание ее сигналами из космоса с использованием космических
навигационных систем ГЛОНАСС/GPS [1, 2]. Большое число приемных станций, плотность их
размещения по всему земному шару обеспечивают регулярный мониторинг ближнего космоса до
высот 20 000 км, включая тропосферу ионосферу и плазмосферу Земли. К настоящему времени
завершилось развертывание космической навигационной системы ГЛОНАСС, группировка насчитывает более 24 спутников, что обеспечивает возможность глобального мониторинга ионосферы с
высоким временным разрешением. Широкие возможности открываются при совместном использовании двух систем для решения различных научных прикладных и технических задача.
Особенности спутниковых конфигураций ГЛОНАСС и GPS
Навигационные системы ГЛОНАСС и GPS содержат не менее 24 спутников, каждый из них
излучает две когерентные частоты (сигналы L1/L2), модулированные дальномерными кодами.
Центральные частоты для сигналов L1 и L2 для обеих систем приблизительно одинаковы и равны
1602 МГц и 1246 МГц соответственно. Все GPS спутники излучают одни и те же частоты.
ГЛОНАСС спутники излучают разные частоты, которые формируются по определенному правилу. Спутниковая группировка ГЛОНАСС развернута в трех орбитальных плоскостях, в каждой из
которых располагаются 8 спутников. Высота орбиты около 19 100 км, наклонение около 65 период обращения 11h15min, Космический сегмент GPS размещается на 6 круговых орбитах, разнесенных на 60 по долготе. Высота орбиты около 20 200 км, наклонение 55 период обращения около
12 ч. Соответствующая конфигурация приводит к некоторому различию области ионосферы, которая может просвечиваться спутниками разных систем над индивидуальной станцией. Важным
преимуществом системы ГЛОНАСС является большее наклонение, что обеспечивает эффективный мониторинг ионосферы на высоких широтах. На рис. 1 представлена карта пролетов спутников системы ГЛОНАСС и GPS над станцией Калининград на 24 часовом интервале. Видно, что
временная картина прохождения спутников над станцией различна для обоих систем.
49
РРВ-24
Распространение радиоволн и дистанционное зондирование верхней атмосферы
и космического пространства
___________________________________________________________________________________________
30
30
25
25
20
20
15
15
10
10
5
5
0
0
0
3
6
9
12
15
18
21
24
0
3
6
9
UT
12
15
18
21
24
UT
Рис. 1. Временная развертка пролетов спутников Глонасс (слева) и GPS(справа) над станцией Калининград.
62
62
58
58
широта
широта
На рис. 2 представлены траектории спутников на ионосферных высотах над станцией Калининград для обеих систем на 24 часовом интервале.
54
54
50
50
46
46
0
10
20
долгота
30
40
0
10
20
долгота
30
40
Несмотря на общее подобие картин, имеется некоторое различие. Область, просвечиваемая
GPS спутниками, по долготе несколько шире, чем для ГЛОНАСС. По широте это различие проявляется в том, что для ГЛОНАСС ионосфера просвечивается на широтах выше 60.
Алгоритм расчета ПЭС по Глонасс измерениям
Данные наблюдений Глонасс/GPS представляются в международно-принятом RINEX формате,
что обеспечивает использование ряда одних и тех же алгоритмов и программ обработки для обеих систем. Достаточно важным отличием для них является представление навигационной информации. Это
влечет за собой разработку различных алгоритмов для прогноза пролёта спутников.
ГЛОНАСС и GPS обеспечивают измерение как групповых (кодовых) так и фазовых задержек сигналов. Как известно дифференциальная задержка двух частот полного содержания ионосферы (ТЕС-Total Electron Content в общепринятой терминологии) на луче соединяющем спутник
и приёмник. Методология обработки GPS сигналов описана в [3]. В общем виде для кодовых
наблюдений связь между разностной задержкой и ТЕС можно представить в виде:
P  P2  P1 
STEC
M
 Ap ,
где Р, Р2 – псевдодальность между спутником и приемником в метрах для сигналов L1и L2, STEC –
TEC вдоль луча, М-фактор пересчета задержки в единицы измерения ТЕС (1016 эл/м). Важно подчеркнуть, что величина М одна и та же для всех спутников GPS в то время как для Глонасс она
меняется в зависимости от номера использованной частоты, Ар-неизвестная дифференциальная
задержка сигнала в аппаратуре спутника и приёмника (Аппаратурная поправка).
50
РРВ-24
Распространение радиоволн и дистанционное зондирование верхней атмосферы
и космического пространства
___________________________________________________________________________________________
25
25
20
20
15
15
TECU
TECU
Аналогичное уравнение может быть записано для всех пар приемник-спутник. Из уравнения
следует, что величина ТЕС может быть определена с точностью до неизвестной аппаратурной поправки Ар. Точность определения абсолютной величины ТЕС существенно зависит от достоверности определения Ар. Для пересчета наклонного STEC в вертикальный обычно используется простой геометрический фактор. Общепринятый подход обработки GPS/ГЛОНАСС наблюдений заключается в совместном определении ТЕС и Ар по измерениям задержек по всем наблюдаемым
спутникам над станцией на суточном интервале, на основе которых формируется суточный ход
для отдельной станции. Важно подчеркнуть, что суточная вариация ТЕС формируется по измерениям в области ионосферы, просвечиваемой сигналами всех спутников, которые находятся в зоне
радиовидимости станции. Результаты применения процедуры обработки ГЛОНАСС наблюдений и
их сравнение с использованием методики, разработанной для GPS, представлены на рис. 3. Здесь
представлено поведение суточных ходов ТЕС над станции Калининград для спокойного и возмущенного дней октябрьской бури 2013 г. В целом, поведение ТЕС, полученного по ГЛОНАСС и
GPS наблюдениям, весьма похожи, однако различаются в деталях. В частности, величина ТЕС по
GPS превышает ТЕС, полученный по ГЛОНАСС наблюдениям. По нашему мнению это обусловлено конфигурацией группировки, а также тем, что область ионосферы, просвечиваемая GPS,
находится южнее, чем для ГЛОНАСС, поскольку наклонение ГЛОНАСС спутников почти на 10
градусов больше, чем у спутников системы GPS.
10
5
10
5
0
0
0
3
6
9
12 15 18 21 24
UT
0
3
6
9
12 15 18 21 24
UT
Рис. 3. Суточные вариации ТЕС над станцией Калининград для обеих систем для спокойного (1 октября 2013 г.) и дня бури(2 октября 2013 г.).
Заключение
Анализ сравнения по использованию ГЛОНАСС и GPS наблюдений для измерения полного
содержания ионосферы показал, что картина поведения суточного хода ПЭС над среднеширотной
станцией Калининград для обеих систем в целом весьма похожи. Различие в 2–3 TECU может
быть обусловлено различием конфигурацией спутниковой группировки и наклонением орбит
спутников. Необходимо также принять во внимание, что долготные размеры области, которая
участвует в формировании суточной вариации ПЭС, различаются для обеих систем. С увеличением области больше сказывается влияние горизонтальных градиентов, которые, как известно, существенно влияют на определение аппаратурных поправок. Это в конечном итоге сказывается и на
точности определения абсолютного значения ПЭС.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 14-07-00512.
ЛИТЕРАТУРА
1. Перов А.И., Харисов В.Н. Глонасс: Принципы построения и функционирования // Радиотехника, М., 2010. С. 810.
2. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли // ГУ НЦ
РВХ ВСНЦ СО РАМН. С. 480.
3. Шагимуратов И.И., Черняк Ю.В., Захаренкова И.Е., Якимова Г.А. Использование карт
полного электронного содержания для анализа пространственно-временной структуры ионосферы
// Журнал физической химии. 2013. Т. 32, № 11. С. 82–87.
51