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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/10.1007/s00190-008-0266-1.
16. Hocke K. Oscillations of global mean TEC // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. A04302. DOI:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/10.1002/2015JA021639.
30. URL: ftp://cddis.gsfc. nasa.gov/gps/products/ionex/ (дата обращения 12 декабря 2016 г.).
