Комплекс определения области ионосферы с мелкомасштабными неоднородностями по данным GPS-мониторинга

(ПЭС) N T ионосферы двухчастотным приемником СРНС типа NovAtel GPStation-6. Интенсивность ММН определяется вариациями ПЭС, обусловленными ММН A N TM , и связана функциональной зависимостью в = Ж(^„Х N ), ha , к ) со среднеквадратическим отклонением (СКО) мелкомасштабных вариаций ПЭС ° a n_m , средним значением ПЭС N_T , эквивалентной толщиной ионосферы h Э и характерным (средним) размером мелкомасштабных ионосферных неоднородностей l_S . Недостатком данного способа пеленгации области с ММН является низкая точность расчетов ^ви из-за использования приближенных постоянных значений эквивалентной толщины ионосферы h Э и характерного размера ионосферных неоднородностей l S . Это обусловлено тем, что не известен способ измерения величины l S (которая может изменяться во времени) с помощью двухчастотного приемника СРНС. Кроме того, в [5] не описаны способы измерения с помощью двухчастотного приемника СРНС значений ° a N TM , N Tr} и h э .

Однако в качестве основного параметра, позволяющего пеленговать область с ММН, можно использовать не интенсивность неоднородностей ри = у(стд\гшХN),ha,k), а СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы °anm , полученных по результатам измерений двухчастотным приемником ПЭС ионосферы NT и выделения из него мелкомасштабных вариаций ANTM. Таким образом, для решения поставленной задачи комплекс определения координат области ионосферы с ММН должен содержать блок определения СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы и блок определения координат данной области.

Принцип работы комплекса. Известен [1] метод мониторинга параметров ионосферы с использованием сигналов СРНС типа GPS или ГЛОНАСС. Суть метода заключается в том, что при прохождении через ионосферу радиосигнала, излучаемого с космического аппарата (КА) СРНС на двух несущих частотах f. и f 2 возни

, кают различные задержки АТ и Ат2, а также изменения фаз Аф1 ~ Ат1 и Аф2 ~ Ат2. Они позволяют непрерывно определять по навигационным измерениям двухчастотного приемника СРНС значения ПЭС ионосферы NT ~ (Аф2 - Аф) вдоль радиотрассы «КА СРНС – приемник СРНС» в любой момент времени t . Поэтому на выходе двухчастотного приемника СРНС формируются временные ряды значений ПЭС ионосферы NT (t). Разработана методика [6], которая позволяет выделять из рядов ПЭС ионосферы NT(t) мелкомасштабные вариации ПЭС ионосферы NNtm( t) и в дальнейшем с помощью стандартной процедуры получать временные ряды СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы °anm (t). Кроме того, известны [1] формулы для расчета географических координат подионосферной точки (ПИТ) для радиотрассы «КА СРНС – приемник СРНС» на основе данных об угле возвышения 9 с и азимуте ас, получаемых с двухчастотного приемника СРНС.

На рис. 1 иллюстрируется принцип работы предлагаемого комплекса определения координат области ионосферы с ММН, состоящего из двухчастотного приемника СРНС, блока определения СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы и блока определения координат области ионосферы с ММН . На рис. 1 также отмечено положение двух ПИТ, соответствующих моментам пересечения радиотрассой «КА СРНС – приемник СРНС» границ области с повышенным значением СКО ПЭС. Подионосферной точкой (ПИТ) называется проекция на поверхность Земли точки пересечения радиотрассы «КА СРНС – приемник СРНС» с областью максимальной ионизации ионосферы на высоте h max , формирующей основной вклад в вариации ПЭС [1]. Моменты времени t н и t к обозначают соответственно начальный и конечный момент пересечения радиотрассой «КА СРНС – приемник СРНС» области ионосферы с ММН электронной концентрации.

Рис. 1. Принцип работы комплекса определения координат областей ионосферы с мелкомасштабными неоднородностями

Исходными данными для определения СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы ° а n™ ⁽ t ) является временной ряд ПЭС ионосферы N T ( t ) вдоль радиотрассы «КА СРНС - приемник СРНС», формируемый на выходе двухчастотного приемника СРНС (рис. 1). В общем случае ряд N T ( t ) представляет собой аддитивную смесь нескольких составляющих [1, 6]:

Nt (t) = Nt о( t) + ANt (t) + А \\ (t), где NT0(t) - ПЭС однородной ионосферы (фона); ANt (t) - вариации ПЭС, обусловленные ионо сферными неоднородностями; АNTШ (t) - вариации ПЭС, обусловленные шумовой погрешностью измерений двухчастотного приемника.

В формуле (1) слагаемое A N _t ( t ) также представляют собой сумму трёх составляющих:

ANt (t) = ANtkp (t) + AN^ (t) + AN, (t),   (2)

где A N_{T KP} (t ) , A N_{T CP} ( t ) , A N_{T M} (t ) - вариации ПЭС крупного ( ~ 10³ км), среднего ( ~10² км) и мелкого ( ~ 10 2 ...10³ м) масштабов соответственно.

Для определения СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС (ANTM (t)) ионосферы ° an™ разработана методика [6], включающая три этапа обработки временного ряда ПЭС NT (t), формируемого на выходе двухчастотного приемника NovAtel GPStation-6. На первом этапе обработки производится сглаживание временного ряда NT (t) методом простой скользящей средней с шириной окна tсгл1 = 60 с. В результате формируется тренд NNT(t)) = Nt0(t) + aNtkp (t) + aNtср(t), учитывающий изменения во времени фонового ПЭС ионосферы и вариации ПЭС, обусловленные ионосферными неоднородностями крупного и среднего масштабов. На втором этапе обработки полученный тренд ( NT (t)) = NT 0 (t) + ANTKP (t) + ANTCP (t) вычитается из исходного ряда (1). В результате ряд ПЭС принимает вид комбинации мелкомасштабных возмущений и шумов NT (t) = ANTM (t) + ANTШ (t). Затем этот ряд вариаций сглаживается методом простой скользящей средней с окном tсгл2 = 0,1 с, что обеспечивает удаление шумовой составляющей ANTШ (t). В результате получается ряд вариаций ПЭС NT (t) = ANTM (t), обусловленных ММН электронной концентрации. На третьем этапе обработки вычисляется СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы °anm (t) на интервале Atско = n Atд = 60 с (что соответствует n = 3000 измерений при интервале дискретизации Atд = 0,02 с).

В качестве примера на рис. 2 приведены результаты определения СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы ° a n _tm ⁽ t ) , полученных с помощью двухчастотного приемника NovAtel GPStation-6, размещенного в Северо-Кавказском федеральном университете (г. Ставрополь).

Рис. 2. Изменение во времени среднеквадратичного отклонения мелкомасштабных вариаций полного электронного содержания ионосферы

Из рис. 2 видно, что в период с 20.37 по 21.18 величина СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ° a n™ ⁽ t ) в среднем возрастает почти в 2 раза (с 0,0125 до 0,025 TECU) и достигает максимального значения 0,05 TECU. Это указывает на то, что радиотрасса «КА СРНС – приемник СРНС» пересекает область ионосферы с ММН электронной концентрации (рис. 1).

В соответствии с рис. 1 на основе данных о СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы °antm (t) в блоке определения координат областей ионосферы с ММН определяются, прежде всего, начальный tн и конечный tк моменты времени пересечения радиотрассой «КА СРНС – приемник СРНС» области ионосферы с ММН. В эти моменты времени ( tн , tк ) СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ° antm (t) превышает заданное пороговое значение °AN/M п. Для найденных моментов времени t = tн и t = tк пред- ставляется возможным вычислить широту фПИТ (t )

и долготу

¹ ПИТ ( t ) ПИТ

для определения

положения и линейных размеров области ионосферы с ММН.

На основе известных [1] формул и данных об изменения угла возвышения 0_с ( t ) и азимута

«с (t) КА, полученных по результатам обработки принятых навигационных сигналов двухчастотным приемником СРНС, а также заданного значения высоты максимума ионизации hmax , определяются географические координаты ПИТ в начальный ( tн ) и конечный ( tк ) моменты времени, используя следующие зависимости:

Ф пИТ ( t н,к ) = arcsin ( x + У ) ;

x = sin Ф прм ^c osV ⁽ t н,к );

• У = cos Ф прм sin V ⁽ t н,к ^{)cos a}c⁽ t н,к );

• ¹ ПИТ ⁽ t н,к ) = ¹ ПРМ + arcsin P;

P = sin V ⁽ t н,к ) sin ^ac⁽ t н,к ) sec Ф пит ⁽ t н,к );

π

v(tH к) = - - ^c (tH к) - arcsin q; н,к               с н,к q =

^RE    cos θ ( t ),

R e + h max      ^C ),

где φПИТ – географическая широта ПИТ, lПИТ – дол- гота ПИТ; φПРМ, lПРМ– географические координаты точки наблюдения (размещения приемника СРНС); αс, θс – азимут и угол возвышения луча

«КА СРНС – приемник СРНС»; ψ – центральный угол между точкой наблюдения и ионосферной точкой, R E – радиус Земли.

На рис. 3 представлены результаты расчета согласно (3) изменения координат ПИТ в период времени с начального t н до конечного t к момента (с 20.37 по 21.18), когда СКО вариаций ПЭС (рис. 2) превышало заданное пороговое значение ^с л w TM (t ) >  ° tN_Mn = 0,02 TECU. Траектория движения ПИТ (жирная линия) представляет с собой отображение на карте области ионосферы, содержащей ММН электронной концентрации.

Рис. 3. Область ионосферы с мелкомасштабными неоднородностями электронной концентрации

Рис. 4. Структура комплекса определения координат области ионосферы с мелкомасштабными неоднородностями

Таким образом, алгоритм определения координат областей ионосферы с ММН по данным

GPS-мониторинга заключается в последователь- ности следующих этапов:

• 1)    вычисление СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы °^_га⁽ t ) ;

• 2)    сравнение СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы ° д n_m ⁽ t ) с пороговым значением ° д N_Mn для определения начального t н и конечного t к моментов пересечения радиотрассой «КА СРНС – приемник СРНС» области ионосферы с ММН;

• 3)    определение в найденные моменты времени t н и t к широты ^фПИТ ⁽ t н,к ) и долготы ¹ ПИТ ( t н,к ) ПИТ.

Указанный алгоритм может быть реализован в структуре построения комплекса определения координат области ионосферы с мелкомасштабными неоднородностями, представленной на рис. 4.