Содержание к диссертации
Введение
1 Определение полного электронного содержания в ионо сфере по данным двухчастотных приемников навигаци онной системы GPS 33
1.1 Общие сведения о навигационной системе GPS 33
1.2 Глобальная сеть двухчастотных приемников GPS. Получение по Internet данных в формате RINEX 37
1.3 Определение полного электронного содержания 40
1.4 Полное электронное содержание и перемещающиеся ионосферные возмущения локальной электронной концентрации 48
1.5 Автоматизированный программный комплекс глобального GPS-детектора ионосферных возмущений естественного и техногенного происхождения 52
1.5.1 Первичная обработка данных 56
1.5.2 Вторичная обработка данных 57
2 Мгновенный отклик среднеширотнои ионосферы на вне запное начало сильных магнитных бурь 61
2.1 Введение . 61
2.2 Геометрия эксперимента 66
2.3 Методика обработки данных. Пространственное накопление отклика полного электронного содержания на внезапное начало магнитной бури 68
2.4 Ионосферный отклик на внезапное начало сильной магнитной бури 6 апреля 2000 г 69
2.5 Ионосферный отклик на другие магнитные бури 74
2.6 Обсуждение результатов 78
3 Спектр мощности вариаций полного электронного содержания по данным глобальной сети GPS 82
3.1 Введение . 82
3.2 Общая характеристика и геометрия эксперимента 85
3.3 Определение среднего логарифмического спектра мощности вариаций полного электронного содержания по данным GPS 86
3.4 Статистика наклона спектра 97
3.5 Геомагнитный контроль амплитуды вариаций полного электронного содержания в диапазоне периодов 20-60 мин 102 3.5.1 Амплитуда вариаций полного электронного содержания в функции мирового времени 102
3.5.2 Корреляция амплитуды вариации полного электронного содержания и АЕ индекса во время магнитных бурь 106
3.5.3 Амплитуда вариаций полного электронного содержания в функции местного времени 108
3.6 Динамические спектры вариаций полного электронного содержания 111
3.7 Обсуждение результатов 121
4 Геомагнитные возмущения и сбои фазовых измерений в системе GPS 124
4.1 Введение 124
4.2 Геометрия эксперимента и общие сведения об используемой базе данных 125
4.3 Метод обработки данных 126
4.3.1 Относительная плотность сбоев разности фаз Ы —L2 и сбоев фазы Ы 127
4.3.2 Оценка амплитуды вариаций полного электронного содержания 128
4.3.3 Условия и ограничения обработки данных . 129
4.4 Результаты анализа относительной плотности сбоев . 131
4.4.1 Магнитоспокойные дни 131
4.4.2 Магнитные бури 6 апреля и 15 июля 2000 г 133
4.4.3 Корреляция возрастания плотности сбоев и амплитуды вариаций полного электронного содержания 137
4.4.4 Зависимость плотности сбоев фазовых измерений Ы — L2 и Ы от типа приемников GPS 138
4.4.5 Определение вариаций полного электронного содержания на основной частоте /і 143
4.4.6 Нормированные распределения углов прихода лучей на ИСЗ GPS 145
4.5 Обсуждение результатов 147
5 Ионосферный отклик полных солнечных затмений 11 ав густа 1999 г. и 21 июня 2001 г . 153
5.1 Введение 153
5.2 Ионосферный отклик полного солнечного затмения 11 августа 1999 г. по данным европейской сети GPS 159
5.2.1 Геометрия эксперимента и общие данные о солнечном затмении 11 августа 1999 г 159
5.2.2 Отклик ионосферы на затмение по данным ионосферной станции Chilton 163
5.2.3 Обработка данных сети GPS и результаты анализа ионосферного эффекта солнечного затмения 11 августа 1999 г 167
5.3 Ионосферный отклик полного солнечного затмения 21 июня 2001 г. по данным африканской сети GPS 172
5.3.1 Геометрия эксперимента и общие данные о солнечном затмении 21 июня 2001 г 172
5.3.2 Отклик ионосферы на затмение по данным ионосферной станции Madimbo 174
5.3.3 Обработка данных сети GPS и результаты анализа ионосферного эффекта солнечного затмения 21
июня 2001 г 177
5.4 Обсуждение результатов 182
Заключение 185
Благодарности 188
Литература 189
- Глобальная сеть двухчастотных приемников GPS. Получение по Internet данных в формате RINEX
- Методика обработки данных. Пространственное накопление отклика полного электронного содержания на внезапное начало магнитной бури
- Определение среднего логарифмического спектра мощности вариаций полного электронного содержания по данным GPS
- Геометрия эксперимента и общие сведения об используемой базе данных
Введение к работе
Научный интерес к проблеме исследования ионосферных возмущений различного класса (магнитные бури, солнечные затмения и т.д.) обусловлен тем, что такие воздействия можно трактовать как активные эксперименты в атмосфере Земли и использовать их для решения целого ряда задач физики ионосферы, ионосферного распространения радиоволн и т.д. Кроме того, по мере развития прогресса наша цивилизация все более и более полагается на технологические системы связи, навигации и локации, функционирование которых в определенной степени зависит от состояния околоземного космического пространства (ОКП). Чтобы подготовиться к решению проблем уязвимости технологических систем, ряд правительственных ведомств США разработали программу, названную Национальной Программой "Космическая Погода" [111]. Аналогичная программа разрабатывается в России.
Особый интерес с научной и практической точки зрения в рамках программ "Космическая погода" представляет разработка новой, основанной на современных достижениях, технологии мониторинга ОКП и анализ всего комплекса ионосферных возмущений на средних широтах, сопровождающих развитие геомагнитных бурь. Эти возмущения проявляются в изменениях различных параметров среды (локальной электронной концентрации, температуры электронов и ионов, и т.д.), в том числе в вариациях полного электронного содержания (ПЭС), измеряемого по сигналам ИСЗ. Измерения ПЭС важны не только как источник дополнительной информации о среде, но и для совершенствования широкого класса спутниковых радиотехнических систем.
Предметом настоящей диссертации являются вариации полного электронного содержания в диапазоне периодов 2-60 мин, наблюдаемые на средних широтах во время геомагнитных возмущений и полных солнечных затмений.
К таким возмущениям прежде всего относятся среднемасштабные перемещающиеся ионосферные возмущения (СМ ПИВ) с временным периодом в диапазоне 20-60 мин [97, 31], являющиеся ионосферным откликом внутренних атмосферных акустихо-гравитационных волн (АГВ). Анализируемый диапазон периодов соответствует при средней скорости перемещения неоднородностеи ионизации в ионосфере порядка 100 м/с диапазону пространственных масштабов от 120 км до 360 км [97]. Вариации электронной концентрации с периодами от 2 до 20 мин также связывают с АГВ промежуточного масштаба (12 - 120 км), ответственными за явления типа F — spread [15].
Среди большого числа явлений, наблюдающихся в различные фазы развития магнитосфернои бури, следует выделить отклик ионосферы на внезапное начало магнитной бури (SSC). К возмущениям анализируемого диапазона периодов можно отнести также возмущения, обусловленные солнечными затмениями. Анализ ионосферных эффектов солнечных затмений представляет большой интерес не только для уточнения моделей ионосферы, но и как своего рода калибровочный эксперимент для проверки различных методов детектирования ионосферных возмущений.
Несмотря на многолетние усилия исследователей, многочисленные известные до сих пор экспериментальные данные не позволяют получить более или менее достоверные оценки основных параметров всего
20 комплекса ионосферных возмущений, сопровождающих развитие геомагнитных бурь. Для обеспечения прогресса в этой области необходимо проведение одновременных измерений с высоким пространственно-временным разрешением на большой площади, охватывающей районы с различным местным временем. Без такого разрешения невозможно проследить в деталях процесс расширения авроральной зоны на средние широты и обратный процесс восстановления предбуревого равновесия. Кроме того, соответствующие системы мониторинга ОКП должны работать непрерывно, еще лучше в реальном масштабе времени, для того, чтобы обеспечить функционирование важнейших технологических систем.
В настоящее время наблюдается существенный прогресс в развитии спутниковых методов оптического мониторинга процессов в верхней атмосфере с высоким пространственным разрешением, позволяющих визуализировать многие интересные явления (особенно в авроральной области). Однако до сих пор аналогичная технология глобального мониторинга ионосферных возмущений еще не создана. Ни один из известных ранее методов исследования ионосферы (с помощью ионозондов, станций некогерентного рассеяния (СНР), сигналов геостационарных ИСЗ и т. д.) не удовлетворяет подобным требованиям. Известные проекты глобальных радиофизических систем ДВ, СВ и KB диапазонов требуют больших финансовых затрат и времени на создание большого количества радиопередающих и приемных пунктов глобальной сети и соответствующих линий связи.
В связи с этим чрезвычайно актуальной является разработка такой идеологии, которая базировалась бы на использовании уже существую-
щих глобальных спутниковых систем. В этом случае основные затраты на создание соответствующей системы мониторинга ОКП составляют затраты на разработку и создание программного комплекса, что на порядки меньше стоимости специально разрабатываемых систем.
Наиболее развиты в технологическом отношении глобальные спутниковые навигационные системы GPS (Global Positioning System- глобальная система местоопределения), ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАви-гационная Спутниковая Система) и аналогичная европейская система GALILEO. Новую эру в дистанционной диагностике ионосферы открывает создание широко разветвленных сетей наземных приемных пунктов GPS, насчитывающих к январю 2002 г. не менее 1000 приемников, данные которых непрерывно и бесплатно поставляются в Internet.
В последнее время спутниковая навигационная система GPS стала широко применяться для научных исследований в области геодинамики, физики атмосферы, ионосферы, плазмосферы Земли и т. д. [76, 103]. Подобные исследования представляют не только научный интерес, но важны также и для совершенствования самой системы GPS.
В ИСЗФ СО РАН разрабатываются идеология и программный комплекс глобального детектирования и мониторинга ионосферных возмущений GLOBDET естественного и техногенного происхождения по данным измерений вариаций ПЭС на глобальной сети приемников навигационных систем GPS [48]. Глобальный GPS детектор, как часть комплекса космической погоды в ОКП, отличается от ранее известных средств радиозондирования ионосферы непрерывностью наблюдений, высокой чувствительностью и пространственно-временным разрешением, а также технологичностью обработки данных.
22 В отличие от традиционных средств ионосферных наблюдений, высотный предел которых не превышает 200-400 км (ионозонды, KB до-плеровские измерения), или 1000-2000 км (станции некогерентного рассеяния и системы регистрации поворота плоскости поляризации УКВ сигнала геостационарных ИСЗ), появилась возможность глобального GPS детектирования возмущений плазмосферы Земли в диапазоне высот вплоть до 20000 км.
Однако для использования потенциала GPS мониторинга ОКП предстоит еще разработать соответствующие методы обработки сигналов GPS, адаптировать их к решению конкретных задач и провести исследования, результаты которых позволят оценить эффективность этого нового экспериментального средства изучения окружающей среды.
Цель работы
Исследование глобальных характеристик возмущений полного электронного содержания в ионосфере с характерным периодом в диапазоне 2-60 мин, наблюдаемых на средних широтах во время геомагнитных возмущений и полных солнечных затмений, на основе использования новой технологии глобального GPS детектирования ионосферных возмущений, разрабатываемой в ИСЗФ СО РАН.
Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Создание базы данных глобальной сети GPS за период 1998-2001 г. г., необходимой для определения основных параметров возмущений полного электронного содержания.
Разработка метода пространственного накопления спектров вариаций полного электронного содержания.
Проверка гипотезы о роли геомагнитных возмущений как фактора, определяющего характеристики спектра вариаций полного электронного содержания.
Исследование основных параметров (задержка, длительность, амплитуда) мгновенного отклика ионосферы на внезапное начало сильных магнитных бурь.
Изучение зависимости относительной плотности сбоев фазовых измерений в навигационной системе GPS от уровня геомагнитного возмущения.
Анализ пространственно-временных характеристик отклика ионосферы на полные солнечные затмения 11 августа 1999 г. и 21 июня 2001 г.
Научная новизна исследования:
1. Впервые установлено, что в среднем спектры вариаций полного электронного содержания в диапазоне периодов 2-60 мин имеют степенной вид с индексом наклона к=-2.б. Этот результат получен с применением предложенного в диссертации метода пространственного накопления спектров вариаций полного электронного содержания и на статистически более значимом, чем ранее, материале (более 2 106 спектров).
Впервые показано, что внезапное начало магнитных бурь сопровождается отрицательным возмущением полного электронного содержания на всей дневной стороне длительностью около 20 мин, запаздывающим относительно внезапного начала на 3-10 мин и перемещающимся от дневной стороны к ночной со скоростью порядка 10-20 км/с.
Впервые показано, что при увеличении уровня геомагнитной возму-щенности монотонно растет амплитуда среднеширотных вариаций полного электронного содержания; этот рост коррелирует с изменениями индекса АЕ и временной производной Dst и запаздывает на время порядка 2 часов; при расширении аврорального овала на средние широты расширяется и область с развитой среднемасштаб-ной структурой полного электронного содержания.
Впервые установлено, что при увеличении уровня геомагнитной воз-мущенности одновременно с ростом амплитуды вариаций полного электронного содержания на средних широтах растет относительная плотность сбоев фазовых измерений в навигационной системе GPS, достигая во время больших магнитных бурь уровня в несколько процентов, что недопустимо для ряда приложений.
Впервые на основе обработки данных европейской сети станций GPS показано, что запаздывание отклика полного электронного содержания относительно максимальной фазы полного солнечного затмения зависит от местного времени.
25 Достоверность результатов
Достоверность результатов, представленных в диссертации, обусловлена использованием физически обоснованных методов, их проверкой численным моделированием и в экспериментах, а также представительной статистикой наблюдений. Полученные в экспериментах физические характеристики находятся в качественном и количественном согласии с результатами исследований, опубликованных ранее другими авторами.
Практическая ценность работы
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты и разработанные в диссертации методы могут быть использованы для разработки моделей ионосферных неоднородностей и при создании новых высокоэффективных систем диагностики и мониторинга ионосферы, как части комплекса космической погоды, обладающих повышенной чувствительностью, информативностью и высоким пространственно-временным разрешением.
Личный вклад автора
Основные результаты работы являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Автору принадлежат:
1. Создание и обработка баз данных глобальной сети GPS, спутника GOES и станций сети INTERMAGNET для серии больших магнитных бурь за период 1998-2001 г. г.
Оценка ионосферного отклика полного электронного содержания на внезапное начало больших магнитных бурь и спектральных характеристик ионосферных возмущений.
Обработка и анализ данных эксперимента по изучению пространственно-временных характеристик отклика ионосферы на полные солнечные затмения 11 августа 1999 г. и 21 июня 2001 г.
Автор принимал непосредственное участие в:
Разработке метода пространственного накопления спектров вариаций полного электронного содержания.
Исследовании зависимости относительной плотности сбоев фазовых измерений в навигационной системе GPS от уровня геомагнитного возмущения.
Апробация работы
Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на 33nd Scientific Assembly of COSPAR, Warsaw, Poland, 2000; Байкальской научной молодежной школе по фундаментальной физике БШФФ-00 "Астрофизика и физика микромира", Иркутск, 2000; European Geophysical Society, XXVI General Assembly, Nice, Prance, 2001; The International Union of Radio Science, International Beacon Satellite Symposium, Boston, 2001; A Workshop on Space Weather Effects on Communication and Navigation Signals, Boston, 2001; VII международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь", Воронеж, 2001; VIII международной научно-технической конференции
27 "Радиолокация, навигация, связь", Воронеж, 2002; VIII Объединенном международном симпозиуме " Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы" , Иркутск, 2001; Байкальской научной молодежной школе по фундаментальной физике БШФФ-01 "Физика волновых процессов", Иркутск, 2001; Всероссийской конференции по физике солнечно-земных связей, Иркутск, 2001; а также на семинарах в ИСЗФ СО РАН и на физическом факультете Иркутского госуниверситета.
Основные положения, выносимые на защиту:
Установлено, что в среднем спектры вариаций полного электронного содержания в диапазоне периодов 2-60 мин имеют степенной вид с индексом наклона к=-2.5. Этот результат получен с применением предложенного в диссертации метода пространственного накопления спектров вариаций полного электронного содержания и на статистически более значимом, чем ранее, материале (более 2 106 спектров).
Показано, что реакция полного электронного содержания среднеши-ротной ионосферы на внезапное начало магнитных бурь включает в себя фазы мгновенного и запаздывающего отклика. Мгновенный отклик заключается в резком незначительном (порядка нескольких процентов) отрицательном возмущении полного электронного содержания на всей дневной стороне длительностью около 20 мин, запаздывающим относительно внезапного начала на 3-10 мин и перемещающимся от дневной стороны к ночной со скоростью порядка 10-20 км/с. С задержкой порядка 2 часов относительно максиму-
ма производной Dst и индекса АЕ возрастает амплитуда вариаций полного электронного содержания и относительная плотность сбоев фазовых измерений в навигационной системе GPS.
3. Установлено, что запаздывание отклика полного электронного содержания относительно максимальной фазы полного солнечного затмения зависит от местного времени.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического указателя, содержащего 129 ссылок. Общий объем диссертации — 209 страниц, включая 8 таблиц и 35 рисунков.
Во введении дана общая характеристика работы, отражена актуальность ее темы, сформулированы цели диссертации и решаемые задачи, приведено краткое содержание диссертации. Обзор литературы дается в каждой главе отдельно.
В первой главе описываются методы определения ПЭС по данным GPS, структура и функционирование разрабатываемого в ИСЗФ комплекса глобального GPS-детектора ионосферных возмущений.
Во второй главе представлены результаты исследования мгновенного отклика среднеширотнои ионосферы на внезапное начало магнитных бурь, опубликованные в работах [51, 52].
С помощью новой технологии глобального GPS детектирования ионосферных возмущений GLOBDET установлено, что резкое возрастание временной производной напряженности магнитного поля [Щ) во время магнитных бурь сопровождается практически мгновенным умень-
29 шением среднеширотного ПЭС на всей дневной стороне. Соответствующий коэффициент корреляции не ниже -0.8; запаздывание относительно времени SSC составляет около 3-10 мин. Особенно четко это проявляется для магнитных бурь с ясно выраженным внезапным началом SSC. Анализ проведен для набора от 90 до 300 станций GPS и для 9 суток (6 января, 23 апреля 1998 г.; 6 апреля, 8 июня, 13, 14, 15 июля 2000 г.; 31 марта, 11 апреля 2001 г.) с различным уровнем геомагнитной активности (Dst от -6 нТл до -377 нТл, Кр от 0 до 9). Амплитуда "мгновенного" отклика ПЭС для рассматриваемых событий составила 0.1 - 0.4 TECU (1 TECU=1016 м~2, что составляет 0.2-2.6 % от фонового значения ПЭС). Скорость перемещения возмущения от дневной стороны к ночной порядка 10-20 км/с.
В третьей главе предпринята проверка гипотезы о роли геомагнитных возмущений как фактора, определяющего характеристики спектра вариаций ПЭС. Основные результаты опубликованы в работах [56, 6].
С целью повышения статистической достоверности данных использован основанный на новой технологии GLOBDET метод глобального пространственного усреднения спектров мощности возмущений ПЭС. Для количественной характеристики амплитуды вариаций ПЭС предложено использование нового глобального индекса степени возмущения, равного среднему значению среднеквадратичного отклонения (с.к.о.) вариаций ПЭС в выбранном диапазоне периодов спектра (в нашем случае 20-60 мин). Анализ проведен для 14 суток с различным уровнем геомагнитной активности (Dst от -13 до -377 нТл; индекс Кр от 3 до 9; индекс АЕ от -394 до 1559).
Оказалось, что спектры мощности дневных вариаций ПЭС в диапазоне периодов 20-60 мин в спокойных условиях имеют степенной вид с индексом наклона =-2.5. При увеличении уровня магнитной возму-щенности растет амплитуда вариаций ПЭС при одновременном изломе спектра за счет возрастания амплитуды колебаний в диапазоне 20-60 мин. Ночью амплитуда вариаций ПЭС оказывается меньше, чем днем, а наклон спектра уменьшается, что свидетельствует о непропорциональном росте амплитуды мелкомасштабной части спектра.
Рост амплитуды вариаций ПЭС коррелирует не с абсолютным уровнем Dst, а со значением временной производной Dst (максимальный коэффициент корреляции достигает -0.94). Коэффициент корреляции между АЕ индексом и амплитудой колебаний в диапазоне 20-60 мин составляет 0.6-0.7.
Показано, что запаздывание максимального значения амплитуды вариаций ПЭС в диапазоне периодов 20-60 мин относительно минимума временной производной Dst составляет 2 часа. Это согласуется с представлением о том, что ПИВ генерируются в авроральных областях и перемещаются в сторону экватора со скоростью порядка 300-400 м/с.
Рассмотрены основные характеристики динамических спектров вариаций ПЭС, полученных с использованием пространственного накопления в различных широтных и долготных диапазонах.
В четвертой главе представлены результаты исследования зависимости относительной плотности сбоев фазовых измерений в навигационной системе GPS от уровня возмущения магнитосферы Земли, опубликованные в работах [3, 4, 54, 55, 7, 53, 58]. Для анализа были выбраны 5 дней периода 1999-2000 г. г. со среднесуточными значениями индек-
са возмущения геомагнитного поля Dst от 0 до -300 нТл. Во время больших магнитных бурь относительная плотность сбоев фазовых измерений в навигационной системе GPS на средних широтах превышает соответствующий показатель для магнитоспокоиных дней как минимум на один-два порядка, достигая единиц процентов от общей плотности наблюдений. При этом уровень сбоев для расположенных на подсолнечной стороне Земли ИСЗ GPS в 5-10 раз больше, чем на противоположной стороне Земли. Уровень сбоев измерений фазы Ы на основной частоте GPS носит явно спорадический характер и как минимум на порядок ниже, чем при измерениях Ы — L2. Скорее всего сбои измерений L1 — L2 обусловлены высоким уровнем сбоев измерений фазы L2 на вспомогательной частоте.
В пятой главе приводятся результаты измерений основных параметров ионосферного отклика полных солнечных затмений 11 августа 1999 г. и 21 июня 2001 г., опубликованные в работах [5, 57]. При анализе ионосферного отклика 11 августа 1999 г., использованы данные около 70 станций глобальной сети GPS, расположенных в окрестности полосы максимальной фазы затмения в Европе. При анализе ионосферного отклика 21 июня 2001 г., использованы данные 3 GPS станций, расположенных в Африке. Для данных периодов была характерна слабая геомагнитная возмущенность (в пределах -6 - -22 нТл), что существенно упростило задачу детектирования ионосферного отклика затмений.
Для полного солнечного затмения 11 августа 1999 г. запаздывание между минимальным значением ПЭС относительно максимальной фазы вблизи полосы затмения монотонно увеличивается от 4 мин на долготе Гринвича (10:20 UT, LT) до 8 мин на долготе 16 (11:02 LT). Глубина и
длительность депрессии ПЭС оказались равными соответственно 0.2-0.3 TECU и 60 мин.
Для полного солнечного затмения 21 июня 2001 г. запаздывание между минимальным значением ПЭС относительно максимальной фазы затмения составило 9-37 мин. Глубина и длительность депрессии ПЭС оказались равными соответственно 0.5-0.9 TECU и 30-67 мин.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные при работе над диссертацией.
Глобальная сеть двухчастотных приемников GPS. Получение по Internet данных в формате RINEX
Данные систем GPS - ГЛОНАСС получают в виде побочных продуктов геодезических наблюдений, и благодаря тому, что они доступны по системе Internet, они недорогостояпдие, высокоточные и непрерывные. Непрерывность данных имеет особое значение при обнаружении незапланированных событий. Данные наблюдений приемников GPS в формате RINEX [91] доступны для анализа через Internet и расположены на HTTP - сервере http://sopac.ucsd.edu или на FTP-сервере по адресу ftp://sopac.ucsd.edu/ pub/. К январю 2002 г. GPS состояла не менее, чем из 1000 зарегистрированных станций (приемников). Карта глобальной GPS - сети изображена на рис. 1.1. Через HTTP файлы можно получать обычным браузером, например, Internet Explorer, однако, данный способ предполагает скачивание файлов наблюдений по одному, что, при выборе множества станций является очень медленным процессом. Поэтому для выбора и получения сразу множества выбранных станций используется несколько программ, специально разработанных для этой цели в ИСЗФ СО РАН. Кроме того, отдельно поставляются навигационные RINEX - файлы [91], содержащие эфимериды видимых приемнику спутников, необходимые для вычисления координат спутников. Навигационные файлы, необходимые для обработки, скачиваются отдельно из поддиректории на том же сервере ftp://sopac.ucsd.edu/pub/nay/. Файлы в формате RINEX являются стандартными и содержат суточные данные наблюдений GPS - приемника за всеми видимыми ему спутниками: значения фазы для одной или обоих несущих (которые являются разностью фаз между сигналами несущей, принятой со спутника, и образцовым сигналом, сгенерированным приемником), значения псевдодальности (которые являются разностью между временем прихода сигнала в приемник, находящимся в кадре принятого сигнала и временем передачи этого сигнала, находящимся в кадре переданного сигнала) и некоторые другие параметры. В настоящее время данные, имеющиеся в Internet, имеют временное разрешение 30 с. Это ограничение временное и продиктовано необходимостью передачи огромного объема информации по сетям Internet.
Временное разрешение самих приемников существенно выше - до 0.1 с. Аппаратура потребителей GPS является стандартной, производится серийно, поэтому, во-первых, ее использование оказывается много дешевле, чем создание специализированных измерительных установок, а во - вторых, позволяет использовать стандартные подходы к хранению, передаче и обработке данных. Поэтому по всему миру уже созданы как сети приемников GPS общего назначения, так и специализированные, и широко используются в самых различных направлениях человеческой деятельности. В связи с этим большое внимание уделяется непрерыв ному совершенствованию системы GPS и расширению сферы применения ее для решения собственно навигационных задач и созданию более высокоточных систем определения времени и частоты. Еще большие возможности планируется получить в ближайшем будущем за счет интеграции с аналогичной российской системой ГЛОНАСС. Сама по себе GPS стала полнофункциональной системой всего лишь в 1992 году. Ее широкое использование в целях исследования ионосферы началось еще позже. Поэтому одним из важных аспектов таких исследований является поиск подходов к анализу данных GPS и разработка конкретных методов их анализа для выделения из них как можно большего количества информации об ионосфере и, таким образом, максимально возможного использования потенциала GPS. Многие исследовательские группы в различных странах мира уже научились получать из данных GPS информацию о ПЭС, его временных и пространственных изменениях, составлять локальные и глобальные карты ПЭС; наблюдать ионосферные эффекты магнитных бурь, промышленных взрывов, запусков ракет, землетрясений; измерять вертикальные профили ЭК. Однако измеряемая величина ПЭС является интегралом, а поэтому не может быть сопоставлена с конкретной точкой пространства. Кроме того, интегральная характеристика может быть нечувствительной к некоторым эффектам, вносящим чувствительные возмущения в локальные характеристики. Одним из способов устранения такого препятствия является введение в качестве модельного приближения представления об ионосфере как о слое нулевой толщины, расположенного на некоторой разумно заданной высоте. При этом пространственная неопределенность снимается. Необходимо понимать, что такое допущение является очень "сильным", и при необоснованном применении способно быть причиной серьезных ошибок в интерпретации результатов измерений. Вторым способом может служить учет вертикального профиля ЭК. Этот путь не устраняет полностью пространственную неоднозначность измерений, но дает возможность их более полной и верной интерпретации.
Методика обработки данных. Пространственное накопление отклика полного электронного содержания на внезапное начало магнитной бури
Определение характеристик, связанных с возмущением, основывается на выборе нескольких серий измерений ПЭС і (і), имеющих длину не менее 1 часа. Для того, чтобы исключить влияние условий приема сигнала, мы использовали только наблюдения с углами места ИСЗ в (і) больше, чем 30. С целью исключения вариаций регулярной ионосферы, а также трендов, внесенных движением спутника, использовалась процедура удаления линейного тренда с предварительным сглаживанием исходного ряда с выбранным временным окном длительностью порядка 30 мин. Ионосферный отклик на SSC исследован с помощью программного комплекса GLOBDET, который производит глобальное когерентное накопление вариаций ПЭС в выбранном для анализа интервале времени [48, 50] где dli - отфильтрованный ряд ПЭС [значения ПЭС рассчитывались по формуле (1-7)]; п - число лучей. Поправочный коэффициент Щ [см. формулу (1.9)] необходим для преобразования "наклонного" ПЭС в эквивалентное "вертикальное" значение. Пример пространственного накопления отклика ПЭС на мгновенное начало магнитной бури 6 апреля 2000 г. приведен в разделе 2.4. Рис. 2.2 слева представляет временную зависимость ПЭС I(t) на дневной стороне 6 апреля 2000 г. (панель а) и вариации dl(t), полученные после удаления линейного тренда из ряда I(t) (б) для станций ALGO (номер ИСЗ PRN02 - толстая линия ) и OHIG (PRN01 - тонкая линия). То же самое для ночной стороны для станций IRKT (РИШІ-толстая линия), KERG (PRN22-тонкая линия) (в) и (г). Как видно из рис. 2.26, уменьшение dl(t) относительно времени SSC, характерное для станций ALGO и OHIG, происходит с задержкой т около 5 мин. Для станций IRKT и KERG (рис. 2.2г) имеется задержка между провалом в S(t) и временем SSC порядка 32-37 мин. Географические координаты GPS станций OHIG, ALGO отмечены на рис. 2.26, для станций IRKT, KERG - на рис. 2.2г. Для временного интервала 16:00-18:00 UT 6 апреля 2000 г. рис. 2.3а представляет вариации в магнитном потоке на геостационарной орбите спутника GOES10 (135W), вариации Н-компоненты магнитного поля H(t) (рис. 2.36) и временную производную Н-компоненты (рис. 2.3в, тонкая линия) для станции Иркутск (52.20 N; 104.30 Е). Результат глобального суммирования S(t) представлен для дневной стороны (п=472 лучей) - рис. 2.3г. Зависимость S(t) для ночной стороны (п=245 лучей) показана на рис. 2.3д. Для сравнения на рис. 2.3в нанесена инвертированная кривая S(t) для дневной стороны (толстая линия). Время SSC (16:39 UT) на рис. 2.3а-д отмечено вертикальной пунктирной линией. Момент внезапного начала магнитной бури регистрируется на всех магнитных станциях, расположенных на дневной стороне, практически одновременно (разница во времени может составлять не более нескольких секунд) [1]. Следовательно, для определения времени SSC достаточно воспользоваться данными одной из магнитных станций (в диссертации использованы данные магнитной станции Иркутск). Анализ данных ПЭС для всего выбранного нами набора GPS пунктов для интервала времени 16:30-17:30 UT, включающего время SSC, показывает отрицательное возмущение продолжительностью около 20 мин. Задержка между максимумом кривой - М и максимумом инвертированного ряда S{t) равна 6 мин. Задержка между временем SSC и максимумом кривой S{t) составила 7 мин. Рис. 2.4а представляет зависимости времени минимума tmin отфильтрованного ряда ПЭС от широты, полученную для каждого луча; амплитуду отклика ПЭС на SSC сильной магнитной бури 6 апреля 2000 г. на дневной стороне (рис. 2.46); распределение tmin (рис. 2.4в) и амплитуды отклика А (рис. 2.4г) в функции местного времени LT (для временного интервала 16:24-17:36 UT). Время SSC на рис. 2.4а и 2.4в показано тонкой горизонтальной линией. Разброс времени tmin обусловлен тем, что существуют фоновые колебания ПЭС с периодами, подобными периодам колебаний, вызванных SSC, поэтому с целью улучшения отношения сигнал/шум мы применяем глобальное когерентное накопление рядов dl(t). Анализ рис. 2.3 и рис. 2.4а, б, в, г позволяет сделать вывод, что на дневной стороне земли наибольшее значение амплитуды отклика ПЭС составило 0.4 TECU (1-2 % от фонового значения ПЭС IQ). Значение /о определялось по стандартным IONEX - файлам [106], полученным по Internet, путем усреднения значений ПЭС в интересующих нас широтном, долготном и временном диапазонах. Продолжительность отклика ионосферы на SSC составила 20 мин. Задержка между наибольшим значением амплитуды отклика ПЭС и временем SSC, на средних широтах на дневной стороне, равна 6 мин. На высоких широтах задержка составляет более 15 мин. На ночной стороне А=0.1 TECU, т—45 мин.
Определение среднего логарифмического спектра мощности вариаций полного электронного содержания по данным GPS
Для настоящего исследования были использованы доступные по сети Internet данные глобальной сети приемных станций GPS. На рис. 1.1 дана геометрия глобальной сети GPS, использованной в данной работе при анализе средних амплитудных спектров возмущений ПЭС. Для различных анализируемых событий по ряду причин были выбраны слегка отличающиеся наборы станций GPS, однако геометрия эксперимента для всех событий была практически подобной. Анализ данных проведен для набора от 100 до 300 станций GPS и для 14 суток периода 1998-2001 г.г. с различным уровнем геомагнитной активности (Dst от -13 до -377 нТл; индекс Кр от 3 до 9). В табл. 3.1 даны сведения о номерах дней, числе используемых станций га, экстремальных значениях Dstmin и Кртах. Общий объем данных GPS в этом эксперименте превысил 5 х 107 30-с наблюдений. В данном разделе описывается процедура вычисления среднего (по выбранному региону земной поверхности) спектра мощности вариаций ПЭС. Усреднение (пространственное накопление) спектров производилось с целью повышения статистической достоверности данных и осуществлялось с использованием технологии GLOBDET аналогично процедуре когерентного накопления вариаций, описанной в разделе 2.3.
Естественно, такое усреднение справедливо в строгом смысле только при условии пространственной однородности спектра вариаций ПЭС, что не всегда выполняется, особенно во время геомагнитных возмущений.
Тем не менее, для некоторого выбранного региона такое усреднение позволяет выявить некоторые общие черты, свойственные вариациям ПЭС в различных условиях. Приведенные ниже результаты, особенно касающиеся статистики наклона степенного спектра вариаций ПЭС (раздел 3.4) и доказательства геомагнитного контроля амплитуды вариаций ПЭС в диапазоне периодов 20-60 мин (раздел 3.5), подтверждают целесообразность предложенного подхода к анализу спектра. Для вычисления единичного спектра S(F) вариаций ПЭС выбирались непрерывные ряды измерений I(t) [формула (1.7)] длительностью не менее 2.5 часов, что позволяло получить удобное для используемого нами алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ) число отсчетов, равное 256. Для получения более длинного ряда из 512 отсчетов необходим интервал времени не менее 5 часов, что практически невозможно реализовать из-за ограничений геометрии эксперимента с ИСЗ GPS. При регистрации ряда подобной длины углы места на ИСЗ могут меняться в широких пределах, вплоть до весьма малых величин (меньше 10), при которых отклонение распределения ионизации от сферически симметричного становится недопустимо большим.
Геометрия эксперимента и общие сведения об используемой базе данных
Для настоящего исследования были использованы доступные по сети Internet данные глобальной сети приемных станций GPS (рис. 1.1). Для различных анализируемых событий по ряду причин были выбраны слегка отличающиеся наборы станций GPS, однако геометрия эксперимента для всех событий была практически подобной. Для анализа были выбраны 4 дня периода 1999-2000 г.г. со среднесуточными значениями индексов возмущения геомагнитного поля Dst от 0 до -300 нТл и Кр от 2 до 9. Общие сведения об этих событиях приводятся в табл. 4.1. Статистика используемых в настоящей работе данных для каждого из анализируемых дней характеризуется приведенными в табл. 4.1 сведениями о числе используемых станций т. Общий объем данных превышает 107 30-с наблюдений. Целью первичной обработки данных GPS является получение оценок плотности сбоев измерения разности фаз LI — L2 и сбоев измерения фазы на основной частоте Ы. Для выяснения причины возрастания плотности сбоев весьма полезными оказались также оценки амплитуды вариаций ПЭС для тех же станций и интервалов времени. С этой же целью получены нормированные распределения углов места и азимутов лучей, при которых были зафиксированы сбои измерений разности фаз Ы — L2 и фазы L1 для интересующих нас интервалов времени. Технология GPS предоставляет возможность детектирования волновых возмущений в ионосфере на основе фазовых измерений ПЭС / в нескольких разнесенных в пространстве двухчастотных приемниках GPS, используя формулу (1.7). Фиксирование сбоя разности фаз Ы — L2 происходит в том случае, если модуль вычисленного по формуле (1-7) приращения ПЭС за интервал времени 30 сек (стандартный для представленных в Internet данных GPS) превышает заданный порог порядка, например, 100-200 TECU. Аналогично, но с гораздо большим порогом и учетом меняющегося со временем расстояния до ИСЗ, фиксируется и сбой измерения фазы на основной частоте Ы. Таким образом отмечаются именно фатальные сбои, не позволяющие вообще оценить приращение ПЭС из измеренного значения разности фаз Ы — L2.
В то же время могут быть приращения ПЭС, абсолютное значение которых меньше выбранного нами порога. Такие ситуации, сопровождающиеся изменениями ПЭС всего в несколько TECU, обусловлены эффектами ионосферных неоднородностей и основательно изучены в целом ряде работ [38, 39, 103, 117, 60, 41, 64]. Таким образом, результатом первичной обработки RINEX-файлов являлось количество сбоев фазы S в выбранный единичный интервал времени dT=5 мин, а также соответствующее количество наблюдений Z, необходимое для нормировки данных. Такой интервал мы выбрали с целью сокращения объема анализируемых данных без потери необхо- димого для анализа временного разрешения (стандартный шаг по времени для RINEX-фалов, равный 30 с, потребовал бы больших объемов памяти). Эти данные для каждого ИСЗ GPS затем усреднялись по всем выбранным станциям, что позволило вычислить среднюю плотность наблюдений Z(t) и среднюю плотность сбоев S(t). В середине наблюдаемого пролета ИСЗ плотность наблюдений Z(t) в среднем равна 10±1 (30-с отсчетов); в начале и в конце пролета она может уменьшаться из-за того, что интервалы времени наблюдения данного ИСЗ под углами места больше заданного на различных станциях не совпадают. Далее мы вычисляли среднюю относительную плотность сбоев P(t)=S(t)/Z(t), %. Кроме того, полезным для анализа оказалось среднее по всем ИСЗ и станциям GPS среднесуточное значение относительной плотности сбоев (Р). Ряды Io(t), не содержащие срывов разности фаз LI — L2 и пропусков отсчетов, использовались для оценки амплитуды вариаций ПЭС для тех же наборов станций и интервалов времени, что и для оценки плотности фазовых сбоев. Ряды значений углов места 9(t) и азимутов a(t) луча между спутником и приемником используются, чтобы определить координаты поды-оносферных точек и преобразовать "наклонное" ПЭС I0{t) в соответствующее значение "вертикального" ПЭС с помощью формулы (1.8). 130 С целью исключения вариаций регулярной ионосферы, а также трендов, внесенных движением спутника, использовалась процедура удаления тренда с предварительным сглаживанием исходного ряда с временным окном длительностью около 60 мин. С.К.О. отфильтрованных таким образом вариаций ПЭС dl(t) мы используем далее в качестве оценки амплитуды М вариаций ПЭС (см. раздел 4.4.3). Рис. 4.1а иллюстрирует пример обычных слабо возмущенных вариаций "наклонного" ПЭС I0(t) для станции WES2 (номер спутника PRN10) 15 июля 2000 г. (временной интервал 14:00-16:00 UT), предшествующих геомагнитному возмущению. Для тех же рядов на рис. 4.16 представлены вариации dl(t), полученные с помощью удаления тренда от I0(t) с временным окном 60-мин (с.к.о. dl(t) меньше, чем 0.2 TECU). Сильные изменения амплитуды вариаций ПЭС произошли вблизи станции WES2 буквально через 6 часов. На рис. 4.1д, е приведены зависимости I(t) и dl(t) для станции WES2 для интервала 20:00-22:00 UT (PRN23). Как видно из рисунка, амплитуда вариаций ПЭС возросла как минимум в 40-50 раз по сравнению с интервалом 14:00-16:00 UT (рис. 4.1а и 4.16).
