Глобальное распределение срывов сопровождения фазы GPS и сбоев измерения полного электронного содержания во время магнитных бурь 15 мая 2005 г. и 20 ноября 2003 г

Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) предоставили широкие возможности для решения задач позиционирования по всему земному шару [Hofmann-Wellenhof et al., 1992], а также задач мониторинга ионосферной плазмы в глобальном масштабе [Афраймович, Перевалова, 2006; Afraimovich et al., 2013]. Во время магнитных бурь ионосфера претерпевает существенные изменения. Отдельные явления, называемые супербурями, приводят к качественному изменению глобальной динамики ионосферной плазмы: может наблюдаться развитие суперфонтан-эффекта, при котором значения полного электронного содержания (ПЭС) в гребнях экваториальной аномалии достигают 180– 200 TECU, а также регистрируется значительное смещение гребней экваториальной аномалии на 10– 15° от положения в спокойных условиях [Tsurutani et al., 2004; Mannucci et al., 2005; Astafyeva et al., 2007; Astafyeva, 2009a, b].

Ионосферные эффекты во время сильных бурь могут приводить к нарушению работы радиотехнических систем, в том числе и ГНСС. Мерцания амплитуды навигационного сигнала вследствие рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях, а также мерцания фазы могут приводить к срыву сопровождения фазы сигнала и невозможности осуществлять оценку радиофизических параметров сигнала. Наиболее существенно на параметры сигнала влияют неоднородности размером порядка первой зоны Френеля [Yeh, Liu, 1982; Pi et al., 1997], для частот GPS (1.227 и 1.575 ГГц) это 150–300 м (для неоднородностей, расположенных на высотах E- и F-областей) [Yeh, Liu, 1982; Pi et al., 1997; Afraimovich et al., 2009].

Опубликовано большое количество работ, посвященных устойчивости GPS во время геомагнитных возмущений [Skone, de Jong, 2000, 2001; Doherty et al., 2001; Afraimovich et al., 2002, 2003, 2011; Ledvina et al., 2002; Jakowski et al., 2005, 2007; Basu et al., 2008; Rama Rao et al., 2009; Bergeot et al., 2011; Pi et al., 2011, 2013]. При этом в литературе практически не исследуются ни зависимость этих эффектов от интенсивности бури, ни пространственные особенности таких эффектов в глобальном масштабе.

В настоящей статье рассматриваются фазовые сбои GPS во время двух бурь: 15 мая 2005 г. и 20 ноября 2003 г. Буря 20 ноября 2003 г. является одной из супербурь 23-го цикла солнечной активности. Для бури 15 мая отсутствуют уверенные свидетельства в пользу того, что данное событие является супербурей, например смещение гребней экваториальной аномалии или значительное увеличение электронной концентрации в дневной ионосфере [Astafyeva, 2009a; Abreu et al., 2010].

Целью настоящей работы является анализ пространственного распределения срывов сопровождения фазы и сбоев измерения ПЭС во время указанных магнитных бурь.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ

В качестве исходных использовались данные глобальных и региональных сетей, представленные в формате RINEX [Gurtner, Estey, 2012]. Рассчитывались два основных параметра.

• 1.    Плотность Р срывов сопровождения фазы сигнала GPS на каждой станции и по всему земному шару отдельно для частот L1 и L2. Для этого рассчитывается число сбоев измерения N и полное число измерений S :

• 2.    Число сбоев измерения ПЭС (далее — сбой ПЭС), определенного по фазовым измерениям. Использование именно фазовых измерений обусловлено существенно меньшим уровнем шумов по сравнению с групповыми [Куницын и др., 2007]. В качестве сбоя ПЭС мы принимали резкое изменение ПЭС относительно предыдущего значения. Для высоких широт (θ>75°) предельное изменение, выше которого фиксировался сбой ПЭС, составляло 1 TECU/30 с, для средних широт (25°<θ<75°) — 2 TECU/30 с, для низких (θ<25°) — 3 TECU/30 с.

P = N / S - 100 %. (1)

Для анализа эффектов на дневной и на ночной стороне ионосферы было рассчитано положение солнечного терминатора на высоте 200 км.

Для построения пространственной картины распределения сбоев ПЭС мы рассчитывали сбои ПЭС для каждой станции, имеющейся в банке данных.

Для минимизации эффектов тропосферы использовались данные только тех спутников, которые поднялись над горизонтом выше чем на 10°. На рис. 1 представлено распределение плотности сбоев ПЭС в зависимости от угла места. Можно видеть, что наибольшее число сбоев ПЭС характерно для низких углов места. При этом плотность сбоев ПЭС резко падает при увеличении угла места и к 10–20° становится достаточно мала. Отсечка по углу в 10° убирает из статистики большую часть фоновых сбоев ПЭС.

Стоит упомянуть, что большинство станций находится в средних широтах, поэтому глобальная статистика лучше отражает особенности именно этого региона.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

На рис. 2 показано расположение GPS-приемников, данные которых использовались для анализа магнитных бурь 15 мая 2005 г. и 20 ноября 2003 г. Как уже упоминалось, большая часть приемников расположена в регионе средних широт. Достаточно малое число приемников расположено на территории Африканского континента, России, а также океанов.

На рис. 3 приведены данные по срывам сопровождения фазы, а также сбоям ПЭС и вариациям индекса SYM-H и B z -компоненты межпланетного магнитного поля в периоды обеих бурь. Для сравнения мы также рассчитали срывы сопровождения фазы и сбои ПЭС для спокойного дня. В качестве спокойного дня для 2005 г. выбрано 14 мая, для 2003 г. — 19 ноября.

Магнитная буря 15 мая 2005 г. началась в 02:40 UT с резкого изменения SYM-H- индекса (рис. 3, а ). Наибольшее развитие буря получила к 08:20 UT, когда SYM-H- индекс достиг значения –302 нТл. Результаты [Dashora et al., 2009; Abreu et al., 2011] указывают на положительный отклик ионосферы сразу после внезапного начала бури. Наблюдалось также усиление фонтан-эффекта [Dashora et al., 2009; Ngwira et al., 2012], при этом не отмечалось возникновения суперфонтан-эффекта.

Рис. 1 . Зависимость количества (толстая серая кривая) и плотности (тонкая черная кривая) сбоев ПЭС от угла места для спокойных условий

Рис. 2 . Расположение приемников GPS в период магнитных бурь 15 мая 2005 г. ( а ) и 20 ноября 2003 г. ( б ). В левых нижних углах панелей приведено общее число приемников

Рис. 3 . Изменения плотности срывов сопровождения фазы, сбоев ПЭС, а также индексов геомагнитной активности во время бури 15 мая 2005 г. ( а – е ) и супербури 20 ноября 2003 г. ( ж – м ). Вариации индекса геомагнитной активности SYM-H (толстая серая кривая), а также B _z-компонента межпланетного магнитного поля (черная кривая) во время магнитных бурь ( а , ж ). Плотность Р срывов сопровождения фазы на частотах L1 и L2 15 мая 2005 г. ( б , в ) и 20 ноября 2003 г. ( з , и ); серой кривой приведены данные для спокойного дня. Сбои фазы на дневной и ночной стороне во время бурь 15 мая 2005 г. ( г , д ) и 20 ноября 2003 г. ( к , л ); сбои ПЭС в периоды бурь (черная кривая) 15 мая 2005 г. ( е ) и 20 ноября 2003 г. ( м ) и для спокойного дня (серая кривая). В качестве спокойного дня для 2005 г. выбрано 14 мая, для 2003 г. — 19 ноября

Рис. 4 . Карта распределения сбоев ПЭС во время магнитной бури 20 ноября 2003 г. в ~10:15 ( a ), ~16:15 ( б ), ~20:45 UT ( в ). Справа приведено положение аврорального овала по данным OVATION

Рис. 5 . Карта распределения сбоев ПЭС во время магнитной бури 15 мая 2005 г. в ~02:45 ( a ), ~06:00 ( б ) и ~08:15 UT ( в ). Справа приведено положение аврорального овала по данным OVATION

Можно видеть, что для 2005 г. уровень срывов сопровождения фазы в спокойных условиях не превышает 0.05–0.1 % на частоте L1 и на частоте 0.8–1 % L2 (рис. 3, б , в ). При этом в начале суток и в спокойных, и в возмущенных условиях наблюдается ступенчатое увеличение сбоев, практически одинаковое по величине. Основной вклад в увеличение плотности срывов сопровождения фазы навигационного сигнала дает дневная ионосфера.

Общее число сбоев ПЭС начинает расти после наступления главной фазы бури, достигая ~5500, или 3.5 % от общего числа наблюдений (рис. 3, е , черная кривая), что в ~7 раз превышает фоновый уровень (рис. 3, е , серая кривая). В целом имеется хорошая корреляция между резким изменением индекса SYM-H , плотностью срывов сопровождения фазы и числом сбоев ПЭС.

Супербуря, имевшая место 20 ноября 2003 г., была одной из наиболее сильных бурь в 23-м цикле солнечной активности [Basu et al., 2007; Mannucci et al., 2008; Zhao et al., 2008] и привела к генерации ионосферных неоднородностей различных масштабов и значительным изменениям в динамике ионосферы. Максимальное изменение SYM-H- индекса составило –488 нТл (рис. 3, ж ), B z -компоненты межпланетного магнитного поля — –52 нТл. Во время бури были зарегистрированы значения ПЭС до 160 TECU в полуденном и ~(170–180) TECU в постполуденном секторе [Mannucci, 2014]. Гребни экваториальной аномалии сдвинулись на 10° по широте относительно положения в спокойных условиях.

Плотность срывов сопровождения фазы достигла 0.25 % на частоте L1 к 20 UT (рис. 3, з ). Максимально значение плотности срывов сопровождения фазы на частоте L2 составило ~3 % в районе 19 UT (рис. 3, и ). Можно видеть значительный вклад в общее число срывов сопровождения фазы как ночной, так и дневной стороны ионосферы (рис. 3, к , л ).

Общее число сбоев ПЭС (рис. 3, м , черная кривая) начало резко возрастать после 14:30 UT, достигнув значения ~10 700, что в ~50 раз превышает фоновые значения (серая кривая).

Нами проведено сравнение пространственного распределения сбоев ПЭС и поступающей в магнитосферу энергии с использованием базы данных OVATION []. Результаты представлены на рис. 4 и 5. Можно видеть, что на начальной фазе супербури 2003 г. в 10:15 UT (рис. 4, а) положение аврорального овала коррелирует с распределением сбоев ПЭС. Аналогичная картина наблюдается и для 16:15 UT (рис. 4, б). Во время главной фазы магнитной бури с 16:30 до 20:15 UT данные по энергии аврорального овала отсутствовали. В 20:45 UT граница аврорального овала наблюдалась на ~60° N в европейском секторе и ~52° N в североамериканском секторе (рис. 4, в).

Граница аврорального овала для этого времени проявляется также на картах сбоев ПЭС для всех долготных секторов, за исключением 60–90° W, где область значительного увеличения сбоев ПЭС доходит до 40° N. Такое несовпадение границ аврорального овала и области увеличения плотности сбоев ПЭС может быть связано с более значительным расширением аврорального овала на средние широты, чем это представлено на карте распределения энергии, поступающей в магнитосферу. При этом вполне возможно, что данный факт обусловлен другими источниками генерации мелкомасштабных неоднородностей, такими как, например, плюмы (plume), зарегистрированные для магнитных бурь [Foster, Rideout, 2005], или интенсивные перемещающиеся ионосферные неоднородности [Astafyeva et al., 2008; Nishioka et al., 2009]. Аналогичный анализ был проведен для пространственного распределения срывов сопровождения фазы на частотах L1 и L2. В отличие от сбоев ПЭС наибольшее увеличение плотности срывов сопровождения фазы наблюдалось в авроральных и приэкваториальных широтах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В целом можно отметить хорошее согласование роста числа срывов сопровождения фазы навигационного сигнала GPS и сбоев измерения ПЭС с индексом геомагнитной возмущенности SYM-H . Вероятность срыва сопровождения фазы как на основной, так и на вспомогательной частоте во время магнитных бурь увеличивается в несколько раз относительно спокойных условий. Еще более значительно возрастает число сбоев измерения ПЭС. Для рассмотренных бурь выявлено соответствие границ аврорального овала и области увеличения количества сбоев измерения ПЭС.

Мы выражаем благодарность сетям IGS [Dow et al., 2009], CORS, UNAVCO, Sonel, а также сетям в Новой Зеландии и Австралии за данные двухчастотных приемников GPS/ГЛОНАСС.

Работа Ю.В. Ясюкевича поддержана грантом РФФИ № 14-35-50751_мол_нр и Программой стратегического развития ИГУ на 2012–2014 гг. (Р212-ОУ-033), работа Э.И. Астафьевой — the European Research Council under the European Union's Seventh Framework Program (FP/2007–2013) / ERC Grant Agreement n. 307998.