Исследование влияния широкополосного солнечного радиоизлучения и ионосферных неоднородностей на распространение и прием сигналов GPS тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Ишин, Артем Борисович

• Ишин, Артем Борисович
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ишин, Артем Борисович

Список рисунков.

Список обозначений и сокращений.

Введение.

Глава 1. Использование системы GPS в качестве инструмента для исследования верхней атмосферы Земли.

1.1. Мониторинг ионосферы с использованием искусственных спутников Земли.

1.2. Общие сведения о навигационной системе GPS.

1.3. Расчет направляющих углов луча «приемник-спутник».

1.4. Алгоритм расчета координат ионосферной и подионосферной точек.

1.5. Расчет ПЭС по данным GPS-приемников.

1.6. Преобразование в "вертикальное" ПЭС.

1.7. Область ионосферы, дающая основной вклад в вариации ПЭС.

1.8. Сети приемников GPS.

1.9. Глобальные карты ПЭС.

1.10. Модель магнитного поля земли IGRF-10.

Глава 2. Исследование зависимости относительной амплитуды вариаций

ПЭС от геомагнитной широты и возмущенности.

2.1. Возмущения ионосферной плазмы в различных регионах земного шара.

2.2. Метод расчета пространственного распределения относительной амплитуды вариаций ПЭС.

2.3. Зависимость относительной амплитуды вариаций ПЭС от геомагнитной широты при разных уровнях геомагнитной возмущенности.

2.4. Выводы к главе 2.

Глава 3. Влияние магнитно-ориентированных ионосферных неоднородностей на качество функционирования системы GPS.

3.1. Крупномасштабные магнитно-ориентированные неоднородности.

3.2. Методы детектирования крупномасштабных магнитно-ориентированных неоднородностей.

3.3. Детектирование крупномасштабных магнитно-ориентированных ионосферных неоднородностей на основе анализа сбоев сопровождения фазы на вспомогательной частоте.

3.4. Выводы к главе 3.

Глава 4. Влияние всплесков широкополосного солнечного радиоизлучения во время вспышек на функционирование системы GPS

4.1. Солнечные вспышки в ультрофиолетовом, рентгеновском и радиодиапазоне.

4.2. Методы обработки данных глобальной сети приемников GPS.

4.3. Отклик полного электронного содержания на солнечные вспышки в EUV диапазоне.

4.4. Статистика фазовых сбоев и пропусков отчетов сигнала GPS во время солнечных вспышек.

4.5. Анализ сбоев комбинированных приемников GPS и ГЛОНАСС.

4.6. Механизм сбоев измерений параметров сигналов GPS и ГЛОНАСС во время солнечных вспышек.

4.7. Выводы к главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование влияния широкополосного солнечного радиоизлучения и ионосферных неоднородностей на распространение и прием сигналов GPS»

Спутниковые радиотехнические системы активно используются в различных сферах человеческой деятельности. Современные средства спутниковой навигации и связи, в том числе глобальные навигационные системы GPS, ГЛОНАСС, работают на частотах дециметрового диапазона. В результате проведенных в последнее десятилетие исследований стало ясно, что на распространение радиоволн этого диапазона существенное влияние оказывает состояние околоземного космического пространства (возмущения на Солнце и в магнитном поле Земли, регулярная структура и динамика ионосферы, неоднородности ионосферной плазмы). В связи с этим проблемы воздействия различных факторов ОКП на функционирование спутниковых радиотехнических систем находятся сейчас в центре внимания научной общественности.

Известно, что на эффективность работы GPS оказывают значительное влияние ионосферные неоднородности, вызывающие искажение сигнала GPS [1]. Падение уровня сигнала, вследствие рассеяния, приводит к уменьшению отношения сигнал/шум, а, следовательно, к срывам сопровождения фазы несущей частоты и невозможности высокоточного позиционирования. Считалось, что такие явления типичны для экваториальной и авроральной областей, а во время главной фазы магнитных бурь — и для среднеширотных регионов [2, 3]. Однако, анализ сбоев функционирования системы GPS на плотных сетях станций позволил определить авторам [4], что и в спокойных геомагнитных условиях возможны серьезные нарушения функционирования системы, вызванные крупномасштабными неоднородностями даже на средних широтах. В статье [4] сообщается о регистрации многочисленных сбоев сопровождения сигналов на вспомогательной частоте f2 системы GPS. В это же время наблюдались большие временные градиенты полного электронного содержания (ПЭС). Авторы [4] считают, что это показательный пример проявления так называемых ионосферных пузырей (super bubbles) -вытянутых вдоль магнитного поля Земли областей пониженной электронной концентрации. Однако, если крупномасштабная неоднородность ионосферной плазмы вытянута вдоль магнитного поля (будем называть её «магнитно-ориентированная неоднородность»), то лучи проходящие через эту неоднородность вдоль, под углом и перпендикулярно магнитному полю будут распространяться в принципиально различных условиях, и у них должны наблюдаться разные искажения. Соответственно, стабильность приема сигнала в системе GPS для лучей разной ориентации будет различной. Однако, этот вопрос до сих пор подробно не исследовался. Поэтому изучение влияния ориентации луча «спутник-приемник» относительно магнитного поля на плотность сбоев в системе GPS является актуальной задачей. Детальный анализ зависимости плотности фазовых сбоев от угла между лучом «спутник-приемник» и направлением магнитного поля стал доступен после создания плотных региональных сетей приемников GPS, например, японской сети GEONET, начитывающей более 1200 станций.

Причиной срыва фазы несущей навигационного сигнала может стать не только уменьшение уровня сигнала, но и увеличение фонового уровня шумов из-за различных факторов. Одним из таких факторов могут быть всплески радиоизлучения, во время вспышек на Солнце. Следует отметить, что при разработке спутниковых радионавигационных систем GPS и ГЛОНАСС, помехи от солнечного радиоизлучения вообще не рассматривались как потенциальный источник снижения надежности приема сигнала. Так, в разделе «Помехозащищенность и электромагнитная совместимость СРНС» в монографии-справочнике [5] среди множества источников помех солнечное радиоизлучение не упоминается. 6 декабря 2006 г. произошла солнечная вспышка класса Х6.5. Усиление потока широкополосного солнечного радиоизлучения последовавшее за этой вспышкой превысило по интенсивности радиовсплески всех известных до- сих пор вспышек, как минимум, на два порядка. Это привело к сбоям в работе спутниковых радиосистем, в том числе навигационной системы GPS [б]. Чтобы оценить масштаб поражения всей системы GPS позиционирования, был необходим детальный анализ влияния вспышки 6 декабря 2006 г. на функционирование GPS в глобальном масштабе. Сделать это позволили общедоступные данные мировой сети станций GPS.

Таким образом, исследование влияния различных факторов, таких как широкополосное радиоизлучение Солнца, неоднородности ионосферной плазмы, геомагнитная возмущенность, геомагнитная широта, на распространение и прием сигналов GPS являются очень актуальными.

Предметом исследования в настоящей диссертации являются сбои сопровождения фазы несущей частоты сигнала GPS, вызванные мощным радиоизлучением Солнца и магнитно-ориентированными ионосферными неоднородностями, проанализированные на обширном статистическом материале.

Цель работы: Исследование влияния мощных всплесков солнечного радиоизлучения и ионосферных неоднородностей на распространение и прием сигнала GPS на основе анализа сбоев сопровождения фазы. Исследование морфологии относительных ионосферных вариаций полного электронного содержания, потенциально приводящих к срывам сопровождения сигнала в системе GPS.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1) Разработка методов, алгоритмов и программ для обработки большого массива данных приемников- GPS с целью анализа сбоев сопровождения фазы несущей частоты радиосигнала «спутник-приемник» GPS.

2) Создание специализированной базы данных глобальной сети приемников GPS, необходимой для изучения сбоев GPS и зависимости относительной амплитуды вариаций ПЭС от геомагнитной широты.

3) Исследование зависимости относительной амплитуды вариаций ПЭС от геомагнитной широты при разных уровнях геомагнитной возмущенности.

4) Исследование зависимости количества сбоев сопровождения фазы несущей частоты радиосигнала GPS от взаимного расположения луча «спутник-приемник» и направления магнитного поля на высоте ионосферы в присутствии крупномасштабных ионосферных неоднородностей.

5) Анализ зависимости сбоев сопровождения фазы несущей частоты радиосигнала «спутник-приемник» GPS от интенсивности широкополосного солнечного радиоизлучения.

6) Сравнение надежности работы во время всплесков солнечного радиоизлучения систем GPS и ГЛОНАСС.

Научная новизна исследования

1) Впервые, по данным большого количества приемников, получено статистически значимое экспериментальное свидетельство того, что во время наиболее сильных всплесков солнечного радиоизлучения GPS-позиционирование на освещенной стороне Земли временно парализуется.

Установлено, что ГЛОНАСС подвержена сбоям в меньшей степени. Показано, что высокий уровень фазовых сбоев на одной или двух частотах вызван влиянием аддитивного шума солнечного радиоизлучения.

2) Впервые по данным плотной сети станций GPS показано, что существенное увеличение количества сбоев сопровождения фазы несущей частоты в системе GPS наблюдается в присутствии крупномасштабных ионосферных неоднородностей при распространении радиосигнала под углами ~0° и -90° с магнитным полем Земли.

3) На основе анализа взаимного расположения луча «спутник-приемник» и направления магнитного поля на высоте ионосферы предложен метод выбора спутников, для минимизации возможности сбоев высокоточных фазовых измерений координат в системах GPS и ГЛОНАСС.

Достоверность результатов, представленных в диссертации, обусловлена использованием физически обоснованных методов анализа данных, современной модели магнитного поля Земли IGRF и представительной статистики экспериментальных данных GPS. Результаты работы находятся в качественном согласии с результатами исследований, опубликованных ранее другими авторами.

Практическая ценность работы. Полученные результаты и разработанные в диссертации методы могут быть использованы для корректировки алгоритмов выбора спутников в системах GPS, ГЛОНАСС, что приведёт к увеличению надежности систем, а так же для развития методов прогнозирования ошибок позиционирования в глобальных навигационных спутниковых системах.

Личный вклад автора

Основные результаты диссертации являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии.

Автору принадлежат:

1) Усовершенствование программного комплекса для обработки большого массива данных приемников GPS, а так же разработка пакета программ для визуализации и исследования сбоев определения навигационных параметров в системе GPS, вызванных ионосферными неоднородностями, вытянутыми вдоль магнитного поля.

2) Создание специализированной базы данных мировой сети приемников GPS.

3) Исследование относительной амплитуды вариаций ПЭС в зависимости от геомагнитной широты в различных геомагнитных условиях.

4) Исследование влияния магнитно-ориентированных неоднородностей ионосферной плазмы над территорией Японии на функционирование региональной сети станций GPS.

5) Комплексное исследование нарушения функционирования системы GPS вызванных всплесками широкополосного радиоизлучения во время солнечных вспышек. Сравнение устойчивости двух навигационных систем (GPS и ГЛОНАСС) к широкополосному солнечному радиоизлучению.

Апробация работы

Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на Международной Байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике (БШФФ-2007, БШФФ-2009), Иркутск; XIV International Symposium «Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics», Бурятия, 2007; International conference AIS-2008:

Atmosphere, ionosphere, safety, 2008, Калининград; XXII Всероссийской конференции «Распространение радиоволн», п. JIoo, Краснодарский край, 2008; 37th COSPAR Scientific Assembly, Montreal, Canada, 2008; URSI General Assembly, Chicago, USA, 2008; EGU General Assembly, Vienna, Austria, 2008; XV International Symposium «Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics», Красноярск, 2008; 12-th Ionospheric Effects Symposium, Alexandria, USA, 2008; шестой международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности", Санкт-Петербург, 2008; IV Всероссийской научной школе и конференции «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред», Муром, 2009; Седьмой всероссийской открытой ежегодной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», Москва, 2009; The IX-th Russian-Chinese Workshop on Space Weather, Irkutsk, 2009; Международной конференции «Солнечно-земная физика», Иркутск, 2010; семинарах отдела 1.00 ИСЗФ СО РАН.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Получено экспериментальное доказательство ухудшения качества функционирования системы GPS, вызванного мощными потоками широкополосного радиоизлучения Солнца во время вспышек. Показано, что система ГЛОНАСС характеризуется более высокой устойчивостью работы, чем GPS в аналогичных условиях.

2. Экспериментально установлено увеличение плотности сбоев сопровождения фазы вспомогательной частоты приемниками GPS, при распространении радиосигнала вдоль и поперёк магнитного поля, в присутствии неоднородностей ионосферной плазмы на средних широтах. При распространении сигнала вдоль магнитно-силовой линии в присутствии неоднородностей электронной концентрации для отдельных спутников доля приемников, не принимающих сигнал, может превышать 30%.

3. На большом статистическом материале подтверждена зависимость относительной амплитуды вариаций ПЭС от геомагнитной широты и возмущенности. В обоих полушариях наблюдается линейный рост средней относительной амплитуды вариаций ПЭС в 1.5 раза в области геомагнитных широт 30°-63°. На более высоких широтах (63°-75°) регистрируется резкий рост амплитуды в 10 раз. В возмущенных геомагнитных условиях происходит смещение границ указанных областей в экваториальном направлении (с 63° до 55° и с 75° до 70°, соответственно), а также общее увеличение амплитуды в 1.4 раза.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы, содержащего 80 ссылок. Общий объем диссертации 107 страниц, включая 28 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Ишин, Артем Борисович

4.7 Выводы по главе 4

По данным глобальной сети приемников GPS получено статистически значимое свидетельство того, что во время всплесков мощного широкополосного солнечного радиоизлучения 6 и 13 декабря 2006 г. на протяжении более 5-10 мин работа GPS на всей освещенной стороне Земли была частично парализована. Высокоточный режим позиционирования, для которого необходим уверенный прием сигнала на двух частотах GPS, был нарушен на подсолнечной стороне для 10-20% приемных станций GPS. При этом для 20-80% из числа этих станций отмечен срыв сопровождения сигналов GPS на обеих частотах, при котором позиционирование вообще невозможно. Аналогичные нарушения функционирования, но в меньшей степени, зафиксированы для системы ГЛОНАСС. Установлено заметное отличие уровня сбоев для различных спутников и типов приемников GPS.

Анализ возмущений полного электронного содержания, обусловленного возрастанием потока солнечного радиоизлучения в УФ диапазоне, показал, что отмеченные сбои функционирования не связаны с ростом интенсивности ионосферных неоднородностей, вызывающих мерцания сигналов GPS. Сбои GPS обусловлены прямым воздействием широкополосного солнечного радиоизлучения, уровень которого возрастает при увеличении зенитного угла Солнца и уменьшении угла возвышения луча на ИСЗ GPS.

Определен порог интенсивности потока солнечного радиоизлучения л

Fmin= Ю s.f.u., при котором фиксируются единичные сбои и пропуски отчетов при измерениях параметров сигналов GPS. Значение этого порога на порядок ниже, чем было установлено ранее.

Следует отметить, что помехи от солнечного радиоизлучения вообще не рассматривались ранее как потенциальный источник снижения помехоустойчивости систем GPS и ГЛОНАСС. Так, в разделе «Помехозащищенность и электромагнитная совместимость СРНС» в монографии-справочнике [5] среди множества источников помех солнечное радиоизлучение не упоминается.

Полученные результаты дают серьезный повод для пересмотра роли факторов космической погоды в работе современных спутниковых систем и более тщательного учета этих факторов при разработке и эксплуатации. Мы предлагаем использовать для оценки уровня радиопомех солнечного происхождения в диапазоне частот GPS-^OHACC-GALILEO непрерывные калиброванные данные измерений интегрального потока солнечного радиоизлучения, выполняемых на международной сети солнечных радиоспектрографов. С другой стороны, поскольку спектр солнечного радиоизлучения заведомо перекрывает диапазон частот современных широкополосных спутниковых радиотехнических систем навигации, связи и локации, мощные солнечные радиовсплески можно рассматривать как глобальный тест помехоустойчивости этих систем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации получены следующие основные результаты:

1) Разработаны методы и программы для обработки большого объема данных приемников GPS, с помощью которых проведён анализ сбоев сопровождения фазы несущей частоты.

2) Проведено исследование зависимости относительной амплитуды вариаций ПЭС от геомагнитной широты и геомагнитной возмущенности. Определены широтные границы областей характерного поведения амплитуды в различных геомагнитных условиях. В обоих полушариях наблюдается линейный рост средней относительной амплитуды вариаций ПЭС в 1.5 раза в области геомагнитных широт 30°-63°. На более высоких широтах (63°-75°) регистрируется резкий рост амплитуды в 10 раз. В возмущенных геомагнитных условиях происходит смещение границ указанных областей в экваториальном направлении (с 63° до 53° и с 75° до 65°, соответственно), а также общее увеличение амплитуды в 1.4 раза.

3) Впервые по данным плотной сети станций GPS показано, что существенное увеличение количества сбоев сопровождения фазы несущей частоты в системе GPS наблюдается в присутствии крупномасштабных ионосферных неоднородностей при распространении радиосигнала под углами -0° и -90° с магнитным полем. Обнаружено, что при распространении сигнала вдоль магнитно-силовой линии в присутствии неоднородностей электронной концентрации для отдельных спутников доля приемников, не принимающих сигнал, может превышать 30%.

4) По данным глобальной сети приемников GPS получено статистически значимое свидетельство того, что во время мощных всплесков широкополосного солнечного радиоизлучения 6 и 13 декабря 2006 г. на протяжении более 5-10 мин работа GPS на всей освещенной стороне Земли была* частично парализована. Высокоточный режим* позиционирования, для которого необходим, уверенный прием сигнала на двух частотах GPS, был нарушен на подсолнечной стороне для 10-20% приемных станций GPS. При этом для 20-80% из числа этих станций отмечен срыв сопровождения сигналов GPS на обеих частотах, при котором позиционирование вообще невозможно. Установлено заметное отличие уровня сбоев для различных спутников и типов приемников GPS. Определен порог интенсивности потока солнечного радиоизлучения 10 s.f.u., при котором фиксируются единичные сбои и пропуски отчетов при измерениях параметров сигналов GPS. Значение этого порога почти на порядок ниже, чем было установлено ранее. Показано, что система ГЛОНАСС характеризуется более высокой устойчивостью работы, чем GPS в аналогичных условиях.

Благодарности

Автор искренне благодарит своего научного руководителя доктора физико-математических наук, профессора Афраймовича Эдуарда Леонтьевича.

Автор выражает признательность доктору технических наук, профессору Смолькову Геннадию Яковлевичу, за плодотворное сотрудничество, а так же за поддержку работы и автора в критические для него моменты.

Автор выражает искреннюю благодарность Переваловой Наталье Петровне за плодотворное сотрудничество, моральную поддержку, а так же неоценимую помощь в оформлении результатов и доведении работы до защиты.

Автор также благодарен своим коллегам и друзьям С.В. Воейкову, Н.С. Гаврилюк, Ю.В. Ясюкевичу, И.К. Едемскому, за помощь в работе, множество ценных замечаний и активное участие в дискуссиях.

Настоящая работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 07-05-00127-а, 08-02-90437-Укр, 10-05-00113-а), а также гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук МК-3094.2010.5.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ишин, Артем Борисович, 2010 год

1. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли // Иркутск: Изд-во ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН. 2006. 480 с.

2. Kintner P.M., Kil Н., and Е. de Paula. Fading time scales associated with GPS signals and potential consequences // Radio Science. 2001. V. 36. N 4. P. 731-743.

3. Afraimovich E.L., Lesyuta O.S., and Ushakov 1.1. Geomagnetic disturbances, and the GPS operation // Geomagnetism and Aeronomy. 2002. V.42. N2. C. 220-227.

4. Ma G., Maruyama T. A super bubble detected by dense GPS network at east Asian longitudes // Geophys. Res. Lett. L21103. doi: 10.1029/2006GL027512. 2006. 33.

5. Перов А.И., Харисов B.H. ГЛОНАСС: принципы построения и функционирования // М.: Радиотехника. 2005. 688 с.

6. Cerruti А.Р., Kintner P.M., Gary D.E., et al. Observed Solar Radio Burst Effects on GPS/WAAS Carrier-to-Noise Ration // Space Weather. 2006. V. 4. SI0006. doi: 10.1029/2006SW000254.

7. Webster A.R., Lyon G.F. The observation of periodic ionospheric disturbances using simultaneous Faraday and angle of arrival measurements // J. Atmos. Terr. Phys. 1974. V.36. P. 943-954.

8. Davies K. Recent progress in satellite radio beacon studies with particular emphasis on the ATS-6 radio beacon experiment // Space Science Review. -1980. V.25.N4. P. 357-430.

9. Afraimovich E.L., Minko N.P., Fridman S.V. Spectral and dispersion characteristics of medium-scale travelling ionospheric disturbances as deduced from transionospheric sounding data // J. Atmos. Terr. Phys. 1994. V.56.N11.P. 1431-1446.

10. Spoelstra T.A.Th. Combining TIDs observations: NNSS and radio interferometry data // J. Atmos. Terr. Phys. 1992. V.54. P. 1185-1195.

11. Jacobson A.R., Carlos R.C., Massey R.S.,Wu G. Observations of traveling ionospheric disturbances with a satellite-beacon radio interferometer: Seasonal and local time behavior // J. Geophys. Res. 1995. V.100. P. 16531665.

12. Titheridge J.E. The diffraction of satellite signals by isolated ionospheric irregularities // J. Atmos. Terr. Phys. 1971. V.33. P. 47-69.

13. Andreeva E.S., Galimov A.V., Kunitsyn V.E. et al. Radio tomorgaphic reconstruction of ionisation dip in the plasma near the Earth // J. Exp. Theor. Phys. Let. 1990. V.52. P. 145-148.

14. Куницын B.E., Терещенко Е.Д., Андреева E.C. Радиотомография ионосферы. М., Физматлит, 2007. 336 с.

15. Hofmann-Wellenhof В., Lichtenegger Н., Collins J. Global Positioning System: Theory and Practice. Springer-Verlag Wien. New York. 1992. 3271. P

16. Melbourne W.G., Davis E.S., Duncan C.B. et al. Report of the NASA: The application of spaceborne GPS to atmospheric limb sounding and global change monitoring // Jet Propulsion Laboratory Publication 94-18. Washington. 1994. 150 p.19,20