Иркутский государственный университет
Иркутск, Россия
Париж, Франция
Камчатский государственный технический университет
Паратунка, Россия
Иркутск, Россия
На основе данных глобальной сети приемников GPS рассмотрены срывы сопровождения фазы навигационного сигнала GPS во время двух сильных магнитных бурь. Показано, что плотность сбоев на основной частоте L1 увеличивается до 0.25 %, на вспомогательной частоте L2 — до 3 %, в разы превышая фоновый уровень. Число сбоев измерения полного электронного содержания (ПЭС) во время супербури 20 ноября 2003 г. возросло в ~50 раз относительно фонового уровня. Обнаружено, что во время супербурь наибольшее число сбоев сопровождения фазы наблюдается в регионах низких и высоких широт. В то же время область наибольших сбоев измерения ПЭС соответствует границам аврорального овала.
магнитная буря, GPS, срывы сопровождения фазы, сбои измерения ПЭС, авроральный овал
ВВЕДЕНИЕ
Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) предоставили широкие возможности для решения задач позиционирования по всему земному шару [Hofmann-Wellenhof etal., 1992], а также задач мониторинга ионосферной плазмы в глобальном масштабе [Афраймович, Перевалова, 2006; Afraimovich etal., 2013]. Во время магнитных бурь ионосфера претерпевает существенные изменения. Отдельные явления, называемые супербурями, приводят к качественному изменению глобальной динамики ионосферной плазмы: может наблюдаться развитие суперфонтан-эффекта, при котором значения полного электронного содержания (ПЭС) в гребнях экваториальной аномалии достигают 180–200 TECU, а также регистрируется значительное смещение гребней экваториальной аномалии на 10–15° от положения в спокойных условиях [Tsurutani etal., 2004; Mannucci et al., 2005;Astafyevaetal., 2007; Astafyeva, 2009a, b].
Ионосферные эффекты во время сильных бурь могут приводить к нарушению работы радиотехнических систем, в том числе и ГНСС. Мерцания амплитуды навигационного сигнала вследствие рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях, а также мерцания фазы могут приводить к срыву сопровождения фазы сигнала и невозможности осуществлять оценку радиофизических параметров сигнала. Наиболее существенно на параметры сигнала влияют неоднородности размером порядка первой зоны Френеля [Yeh, Liu, 1982; Pietal., 1997], для частот GPS (1.227 и 1.575 ГГц) это 150–300 м (для неоднородностей, расположенных на высотах E- и F-областей) [Yeh, Liu, 1982; Pietal., 1997; Afraimovichetal., 2009].
Опубликовано большое количество работ, посвященных устойчивости GPS во время геомагнитных возмущений [Skone, deJong, 2000, 2001; Dohertyetal., 2001; Afraimovichetal., 2002, 2003, 2011; Ledvinaetal., 2002; Jakowskietal., 2005, 2007; Basuetal., 2008; RamaRaoetal., 2009; Bergeotetal., 2011; Pi et al., 2011, 2013]. При этом в литературе практически не исследуются ни зависимость этих эффектов от интенсивности бури, ни пространственные особенности таких эффектов в глобальном масштабе.
В настоящей статье рассматриваются фазовые сбои GPS во время двух бурь: 15 мая 2005 г. и 20 ноября 2003 г. Буря 20 ноября 2003 г. является одной из супербурь 23-го цикла солнечной активности. Для бури 15 мая отсутствуют уверенные свидетельства в пользу того, что данное событие является супербурей, например смещение гребней экваториальной аномалии или значительное увеличение электронной концентрации в дневной ионосфере [Astafyeva, 2009a; Abreuetal., 2010].
Целью настоящей работы является анализ пространственного распределения срывов сопровождения фазы и сбоев измерения ПЭС во время указанных магнитных бурь.
1. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск, 2006. 479 с.
2. Куницын В.Е., Терещенко Е.Д., Андреева Е.С. Радиотомография ионосферы. М.: Физматлит, 2007. 335 с.
3. Abreu A.J. de, Fagundes P.R., Sahai Y., et al. Hemispheric asymmetries in the ionospheric response observed in the American sector during an intense geomagnetic storm // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. A12312. DOI:https://doi.org/10.1029/2010JA015661.
4. Abreu A.J. de, Sahai Y., Fagundes P.R., de Jesus R., Bittencourt J.A., Pillat V.G. An investigation of ionospheric F region response in the Brazilian sector to the super geomagnetic storm of May 2005 // Adv. Space Res. 2011. V. 48, N 7. P. 1211-1220. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2011.05.036.
5. Afraimovich E.L., Lesyuta O.S., Ushakov I.I., Voyeikov S.V. Geomagnetic storms and the occurrence of phase slips in the reception of GPS signals // Ann. Geophys. 2002. V. 45, N 1. P. 55-71.
6. Afraimovich E.L., Demyanov V.V., Kondakova T.N. Degradation of performance of the navigation GPS system in geomagnetically disturbed condition // GPS Solutions. 2003. V. 7, iss. 2. P. 109-119.
7. Afraimovich E.L., Astafyeva E.I., Demyanov V.V., Gamayunov I.F. Mid-latitude amplitude scintillation of GPS signals and GPS performance slips // Adv. Space Res. 2009. V. 43, N 6. P. 964-972. DOI: 10.1016/ j.asr.2008.09.015.
8. Afraimovich E.L., Astafyeva E.I., Kosogorov E.A., Yasyukevich Y.V. The mid-latitude field-aligned disturbances and their effects on differential GPS and VLBI // Ibid. 2011. V. 47, N 10. P. 1804-1813. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2010. 06.030.
9. Afraimovich E.L., Astafyeva E.I., Demyanov V.V., et al. A review of GPS/GLONASS studies of the ionospheric response to natural and anthropogenic processes and phenomena // J. Space Weather Space Clim. 2013. V. 3, A27.
10. Astafyeva E. Effects of strong IMF Bz southward events on the equatorial and mid-latitude ionosphere // Ann. Geophys. 2009a. V. 27. P. 1175-1187.
11. Astafyeva E.I. Dayside ionospheric uplift during strong geomagnetic storms as detected by the CHAMP, SAC-C, TOPEX and Jason-1 satellites // Adv. Space Res. 2009b. V. 43. P. 1749-1756. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2008.09.036.
12. Astafyeva E.I., Afraimovich E. L., Kosogorov E.A. Dynamics of total electron content distribution during strong geomagnetic storms // Ibid. 2007. V. 39. P. 1313-1317. DOI: 10.1016/ j.asr.2007.03.006.
13. Astafyeva E.I., Afraimovich E.L., Voeykov S.V. Generation of secondary waves due to intensive large-scale AGW traveling // Ibid. 2008. V. 41, N 9. P. 1459-1462. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr. 2007.03.059.
14. Basu S., Basu S., Rich F.J., et al. Response of the equatorial ionosphere at dusk to penetration electric fields during intense magnetic storms // J. Geophys. Res. 2007. V. 112. A08308. DOI:https://doi.org/10.1029/2006JA012192.
15. Basu S., Basu S., Makela J.J., et al. Large magnetic storm-induced nighttime ionospheric flows at mid-latitudes and their impacts on GPS-based navigation systems // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. A00A06. DOI:https://doi.org/10.1029/2008JA013076.
16. Bergeot N., Bruyninx C., Defraigne P., et al. Impact of the Halloween 2003 ionospheric storms on kinematic GPS positioning in Europe // GPS Solutions. 2011. V. 15. P. 171-180. DOI:https://doi.org/10.1007/s10291-010-0181-9.
17. Dashora N., Sharma S., Dabas R.S., et al. Large enhancements in low latitude total electron content during 15 May 2005 geomagnetic storm in Indian zone // Ann. Geophys. 2009. V. 27. P. 1803-1820. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-27-1803-2009.
18. Doherty P.H., Delay S.H., Valladares C.E., Klobuchar J.A. Ionospheric scintillation effects in the equatorial and auroral regions // Proceedings of International Beacon Satellite Symposium, June 4-6, 2001. P. 328-333.
19. 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, N 3-4. P. 191-198. DOI: 10. 1007/s00190-008-0300-3.
20. Foster J.C., Rideout W. Mid-latitude TEC enhancements during the October 2005 superstorm // Geophys. Res. Lett. 2005. V. 32. L12S04. DOI:https://doi.org/10.1029/2004GL021719.
21. Gurtner W., Estey L. RINEX: The Receiver Independent Exchange Format Version 2.11. 2012. Available at: ftp://igscb.jpl. nasa.gov/pub/data/format/(accessed June 6, 2015).
22. Hofmann-Wellenhof B., Lichtenegger H., Collins J. Global Positioning System: Theory and Practice. New York; Wien: Springer-Verlag, 1992. 327 p.
23. Jakowski N., Stankov S.M., Klaehn D. Operational space weather service for GNSS precise positioning // Ann. Geophys. 2005. V. 23. P. 3071-3079.
24. Jakowski N., Mayer C., Wilken V., Borries C. Ionospheric storms at high and mid-latitudes monitored by ground and space based GPS techniques // Proceedings of the International Beacon Satellite Symposium, June 11-15, 2007. 1 CD.
25. Ledvina B.M., Makela J.J., Kintner P.M. First observations of intense GPS L1 amplitude scintillations at mid-latitude // Geophys. Res. Lett. 2002. V. 29, N 14. Р. 1659. DOI:https://doi.org/10.1029/2002 GL014770.
26. Mannucci A.J., Tsurutani B.T., Iijima B.A., et al. Dayside global ionospheric response to the major interplanetary events of October 29-30, 2003 “Halloween Storms” // Geophys. Res. Lett. 2005. V. 32. L12S02. DOI:https://doi.org/10.1029/2004GL021467.
27. Mannucci A.J., Tsurutani B.T., Abdu M.A., et al. Superposed epoch analysis of the dayside ionospheric response to four intense geomagnetic storms // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. A00A02. DOI:https://doi.org/10.1029/2007JA012732.
28. Mannucci A.J., Crowley G., Tsurutani B.T., et al. Interplanetary magnetic field by control of prompt total electron content increases during superstorms // J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2014. V. 115-116. P. 7-16. DOI: 10.106/j.jastp. 2014. 01.001.
29. Nishioka M., Saito A., Tsugawa T. Super-medium-scale traveling ionospheric disturbance observed at mid-latitude during the geomagnetic storm on 10 November 2004 // J. Geophys. Res. 2009. V. 114. A07310. DOI:https://doi.org/10.1029/2008 JA013581.
30. Ngwira C.M., McKinnell L.-A., Cilliers P.J., Yizangaw E. An investigation of ionospheric disturbances over South Africa during the magnetic storm on 15 May 2005 // Adv. Space Res. 2012. V. 49, N 2. P. 327-335. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2011.09.035.
31. Pi X., Mannucci A.J., Lindqwister U.J., Ho C.M. Monitoring of global ionospheric irregularities using the worldwide GPS network // Geophys. Res. Lett. 1997. V. 24, N 18. P. 2283-2286. DOI:https://doi.org/10.1029/97GL02273.
32. Pi X., Freeman A., Chapman B., et al. Imaging ionospheric inhomogeneities using spaceborne synthetic aperture radar // J. Geophys. Res. 2011. V. 116. A04303. DOI:https://doi.org/10.1029/2010 JA016267.
33. Pi X., Mannucci A.J., Valant-Spraight B., et al. Observations of global and regional ionospheric irregularities and scintillations using GNSS tracking networks // Proceedings of ION Pacific PNT Conference. Honolulu, Hawaii, 22-25 April 2013. P. 752-761.
34. Rama Rao P.V.S., Gopi Krishna S., Vara Prasad J., et al. Geomagnetic storm effects on GPS based navigation // Ann. Geophys. 2009. V. 27. P. 2101-2110.
35. Skone S., de Jong M. The impact of geomagnetic substorms on GPS receiver performance // Earth Planets Space. 2000. V. 52. P. 1067-1071.
36. Skone S., de Jong M. Limitations in GPS receiver tracking performance under ionospheric scintillations // Phys. Chem. Earth. Part A. 2001. V. 26, iss. 6-8. P. 613-621.
37. Tsurutani B., Mannucci A., Iijima B., et al. Global dayside ionospheric uplift and enhancement associated with interplanetary electric fields // J. Geophys. Res. 2004. V. 109. A08302.
38. Yeh K.C., Liu C.H. Radio wave scintillations in the ionosphere // Proc. IEEE. 1982. V. 70. P. 324-360.
39. Zhao B., Wan W., Tschu K., et al. Ionosphere disturbances observed throughout Sout-East Asia of the superstorm of 20-22 November 2003 // Ibid. 2008. V. 113. A00A04. DOI: 10.1029/ 2008JA013054.
40. URL: http://sd-www.jhuapl.edu/Aurora/ovation/ (accessed June 6, 2015).
