Иркутский государственный университет
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
В работе представлен новый подход, позволяющий произвести оценку абсолютного вертикального и наклонного полного электронного содержания (ПЭС) ионосферы. Оценка основана на использовании одночастотных совместных измерений фазового и группового запаздывания сигнала GPS/ГЛОНАСС по данным отдельных измерительных станций. Качественно и количественно вертикальное ПЭС, рассчитанное по одночастотным измерениям, согласуется с аналогичными оценками, основанными на двухчастотных измерениях. Типичное значение разности вертикального ПЭС, полученного одночастотным и двухчастотным методом, для выбранных нами станций в основном не превышает величины ~1.5 TECU с СКО до ~3 TECU.
ионосфера, GPS, ГЛОНАСС, полное электронное содержание, одночастотные данные.
ВВЕДЕНИЕ
Первые работы по оценке суточной динамики полного электронного содержания (ПЭС) ионосферы с использованием данных глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) появились в конце 1980-х гг. [Lanyi, Roth, 1988]. Развитие этого направления исследований, с одной стороны, привело к созданию глобальных ионосферных карт GIM (Global Ionosphere Maps) [Schaer et al., 1998a; Manucci et al., 1998; Hernandez-Pajares, 2009], что, в свою очередь, привело к значительному прогрессу в ионосферных исследованиях [Afraimovich et al., 2008; Liu et al., 2009; Hocke, 2008; Lean et al., 2011; Gulyaeva, Veselovsky, 2012; Cherniak et al., 2014] и, как следствие, к разработке новых ионосферных моделей [Ivanov et al., 2011]. С другой стороны, появилось большое число работ по определению вертикального ПЭС над станцией [Durmaz, Karslioglu, 2015; Themens et al., 2015; Ясюкевич и др., 2015], что предоставило большой объем данных для улучшения ионосферных моделей [Гуляева, 2016; Themens et al., 2016].
В большинстве работ оценки ПЭС были выполнены на основе обработки данных двухчастотных (L1, L2) радионавигационных приемников. Алгоритм для одночастотных данных давно известен [Афраймович, Перевалова, 2006; Mayer et al., 2008], но широкого применения он не нашел вследствие высоких шумов групповых измерений [Куницын и др., 2007]. Хотя шумы групповых измерений достаточно высоки, тем не менее можно ожидать, что оценки ПЭС будут вполне адекватны за счет усреднения. В связи с этим представляется интересным изучить возможность определения ПЭС по данным одночастотной аппаратуры ГНСС. В 2012 г. [Schuler, Oladipo, 2012, 2014] реализовали схему определения вертикального ПЭС с использованием одночастотных измерений. К сожалению, в этих статьях не описан в деталях алгоритм определения ПЭС, поэтому сложно получить аналогичные результаты. В 2014 г. нами был предложен алгоритм восстановления вертикального ПЭС — TayAbsTEC [Мыльникова и др., 2014; Ясюкевич и др., 2015], а также его градиентов (линейных и квадратичных) и временной производной (первой и второй) по данным двухчастотных измерений отдельной станции GPS/ГЛОНАСС. С некоторыми незначительными изменениями данный алгоритм может быть применен и для работы с одночастотными данными. При этом наряду с восстановлением вертикального ПЭС, появляется возможность устранить имеющую место неоднозначность измерений ПЭС. В результате можно получить абсолютные измерения наклонного ПЭС вдоль лучей спутник–приемник, что может использоваться для решения прикладных задач коррекции влияния ионосферы на радиотехнические системы [Afraimovich, Yasukevich, 2008; Forte, Aquino, 2011; Ovodenko et al., 2015].
В настоящей работе мы приводим методику определения абсолютного ПЭС, его градиентов и временной производной, а также неоднозначности измерений для отдельных рядов наклонного ПЭС вдоль луча спутник–приемник по одночастотным измерениям.
1. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск: ГУ НЦ ВСНЦ СО РАМН, 2006. 480 с.
2. Гуляева Т.Л. Модификация индексов солнечной активности в международных справочных моделях ионосферы IRI и IRI-Plas в связи с пересмотром ряда чисел солнечных пятен // Солнечно-земная физика. 2016. Т. 2, № 3. C. 59–68. DOI: 10.12737/20872.
3. Куницын В.Е., Терещенко Е.Д., Андреева Е.С. Радиотомография ионосферы. М.: Физматлит, 2007. 255 с.
4. Мыльникова А.А., Ясюкевич Ю.В., Демьянов В.В. Определение абсолютного вертикального полного электронного содержания в ионосфере по данным ГЛОНАСС/GPS // Солнечно-земная физика. 2014. Вып. 24. С. 70–77.
5. Ясюкевич Ю.В., Мыльникова А.А., Куницын В.Е., Падохин А.М. Влияние дифференциальных кодовых задержек GPS/ГЛОНАСС на точность определения абсолютного полного электронного содержания ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 2015. Т. 55, № 6. С. 790–796. DOI: 10.7868/S0016794015060176.
6. Afraimovich E.L., Yasukevich Yu.V. Using GPS–GLONASS–GALILEO data and IRI modeling for ionospheric calibration of radio telescopes and radio interferometers // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2008. V. 70, N 15. P. 1949–1962.
7. Afraimovich E.L., Astafyeva E.I., Oinats A.V., et al. Global electron content: A new conception to track solar activity // Ann. Geophys. 2008. V. 26, N 2. P. 335–344. DOI: 10.5194/ angeo-26-335-2008.
8. Astafyeva E., Zakharenkova I., Foerster M. Ionospheric response to the 2015 St. Patrick's Day storm: A global multi-instrumental overview // J. Geophys. Res. Space Phys. 2015. V. 120, N 10. Р. 9023–9037. DOI: 10.1002/2015JA021629.
9. Blewitt G. An automatic editing algorithm for GPS data // Geophys. Res. Lett. 1990. V. 17. P. 483–492.
10. Cherniak I., Zakharenkova I., Krankowski A. Approaches for modeling ionosphere irregularities based on the TEC rate index // Earth, Planets and Space. 2014. V. 66. P. 165. DOI: 10.1186/s40623-014-0165-z.
11. Dow J.M., Neilan R.E., Rizos C. The International GNSS Service in a changing landscape of Global Navigation Satellite Systems // J. Geodesy. 2009. V. 83. P. 191–198. DOI: 10.1007/s0019000803003.
12. Durmaz M., Karslioglu M.O. Regional vertical total electron content (VTEC) modeling together with satellite and receiver differential code biases (DCBs) using semi-parametric multivariate adaptive regression B-splines (SP-BMARS) // J. Geodesy. 2015. V. 89, iss. 4. P. 347–360. DOI 10.1007/ s00190-014-0779-8.
13. Forte B., Aquino M. On the estimate and assessment of the ionospheric effects affecting low frequency radio astronomy measurements // Proc. 30th URSI General Assembly and Scientific Symp. 2011. P. 1–4.
14. Gulyaeva T.L., Veselovsky I.S. Two-phase storm profile of global electron content in the ionosphere and plasmasphere of the Earth // J. Geophys. Res. 2012. V. 117. A09324. DOI: 10.1029/2012JA018017.
15. Hernández-Pajares M., Juan J.M., Sanz J., et al. The IGS VTEC maps: A reliable source of ionospheric information since 1998 // J. Geodesy. 2009. V. 83: Special IGS Issue. P. 263–275. DOI: 10.1007/s00190-008-0266-1.
16. Hocke K. Oscillations of global mean TEC // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. A04302. DOI: 10.1029/2007JA012798.
17. Ivanov V.B., Gefan G.D., Gorbachev O.A. Global empirical modelling of the total electron content of the ionosphere for satellite radio navigation systems // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2011. V. 73. P. 1703–1707.
18. Lanyi G.E., Roth T. A comparison of mapped and measured total ionospheric electron content using Global Positioning System and Beacon satellite observations // Radio Sci. 1988. V. 23, N 4. P. 483–492. DOI: 10.1029/rs023i004p00483.
19. Lean J.L., Emmert J.T., Picone J.M., Meier R.R. Global and regional trends in ionospheric total electron content // J. Geophys. Res. 2011. V. 116. A00H04. DOI: 10.1029/2010JA016378.
20. Liu L., Wan W., Ning B., Zhang M.-L. Climatology of the mean total electron content derived from GPS global ionospheric maps // J. Geophys. Res. 2009. V. 114. A06308. DOI: 10.1029/2009JA014244.
21. Mannucci A.J., Wilson B.D., Yuan D.N., et al. A global mapping technique for GPS-derived ionospheric TEC measurements // Radio Sci. 1998. V. 33, iss. 3. P. 565–582. DOI: 10.1029/97RS02707.
22. Mayer C., Jakowski N., Beckheinrich J., Engler E. Mitigation of the ionospheric range error in single-frequency GNSS applications // Proc. 21st Intern. Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS 2008), Savannah, GA. 2008. P. 2370–2376.
23. Ovodenko V.B., Trekin V.V., Korenkova N.A., Klimenko M.V. Investigating range error compensation in UHF radar through IRI-2007 real-time updating: Preliminary results // Adv. Space Res. 2015. DOI: 10.1016/j.asr.2015.05.017.
24. Schaer S., Beutler G., Rothacher M. Mapping and predicting the ionosphere // Proc. IGS AC Workshop. Darmstadt, Germany, 1998a. P. 307–320.
25. Schaer S., Gurtner W., Feltens J. IONEX: The ionosphere map exchange format Version 1 // Proc. IGS AC Workshop, Darmstadt, Germany. 1998b. P. 233–247.
26. Schuler T., Oladipo O.A. Single-Frequency GNSS Ionospheric Delay Estimation — VTEC Monitoring with GPS, GALILEO and COMPASS: 1st edition. Lulu Press, 2012.
27. Schuler T., Oladipo O.A. Single-Frequency single-site VTEC retrieval using the NeQuick2 ray tracer for obliquity factor determination // GPS Solution. 2014. V. 18. P. 115–122. DOI: 10.1007/s10291-013-0315-y.
28. Themens D.R., Jayachandran P.T. Solar activity variability in the IRI at high latitudes: Comparisons with GPS total electron content // J. Geophys. Res. Space Phys. 2016. V. 121. P. 3793–3807. DOI: 10.1002/2016JA022664.
29. Themens D.R., Jayachandran P.T., Langley R.B. The nature of GPS differential receiver bias variability: An examination in the polar cap region // J. Geophys. Res. Space Phys. 2015. V. 120. P. 8155–8175. DOI: 10.1002/2015JA021639.
30. URL: ftp://cddis.gsfc. nasa.gov/gps/products/ionex/ (дата обращения 12 декабря 2016 г.).
