Table Of ContentФедеральное государственное бюджетное учреждение науки
«Институт солнечно-земной физики
Сибирского отделения Российской академии наук»
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Иркутский государственный университет»
Солнечно-земная физика
ОТКЛИК ИОНОСФЕРЫ
НА ГЕЛИО- И ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ
ВОЗМУЩАЮЩИЕ ФАКТОРЫ
ПО ДАННЫМ GPS
Монография
1
УДК 550.388
ББК 26.23
О-83
Печатается по решению редакционно-издательского совета ИГУ
Серия основана в 2013 г.
Работа выполнена при финансовой поддержке
Программы стратегического развития ФГБОУ ВПО «ИГУ»
на 2012–2016 гг., грантов РФФИ 12-05-33032, 12-05-31069,
гранта Президента РФ МК-3771.2013.5.
Рецензенты:
А. П. Потехин, чл.-корр. РАН, д-р физ.-мат. наук
В. И. Сажин, доцент, д-р физ.-мат. наук
Отклик ионосферы на гелио- и геофизические возму-
О-83
щающие факторы по данным GPS : монография / [Ю. В. Ясюке-
вич, Н. П. Перевалова, И. К. Едемский, А. С. Полякова]. – Ир-
кутск : Изд-во ИГУ, 2013. – 259 с. – (Солнечно-земная физика).
ISBN 978-5-9624-0879-8
Монография посвящена вопросам воздействия на ионосферу про-
цессов, происходящих в смежных геосферах и на Солнце. Представлены
полученные по большей части авторами результаты детектирования ионо-
сферных возмущений с использованием данных глобальной навигацион-
ной системы GPS. Приведены результаты отклика ионосферы на земле-
трясения, прохождение солнечного терминатора, солнечные вспышки, а
также результаты детектирования магнитоориентированных ионосферных
возмущений. Также представлены данные по глобальному и регионально-
му электронному содержанию.
Издание предназначено для научных сотрудников, аспирантов и ма-
гистрантов физических специальностей университетов, а также всех спе-
циалистов, интересующихся вопросами солнечно-земной физики, сейс-
моионосферного взаимодействия, состояния ОКП.
УДК 550.388
ББК 26.23
ISBN 978-5-9624-0879-8 © ФГБОУ ВПО «ИГУ», 2013
© ФГБУН ИСЗФ СО РАН, 2013
2
Посвящается памяти
проф. Афраймовича Эдуарда Леонтьевича,
основателя иркутской школы исследований ионосферы
с использованием глобальных навигационных
спутниковых систем
12 марта 1940 г. – 8 ноября 2009 г.
3
Список основных сокращений
DCB Differential Code Bias
ESF Equatorial Spread F
GIM Global Ionospheric Maps
GNSS Global Navigation Satellites System
GPS Global Positioning System
GSI Geospatial Information Authority Of Japan
IGRF International Geomagnetic Reference Field
IGS International GNSS Service
LT Local Time
PRN Pseudo-Random Number
RINEX Receiver Independent Exchange
SA Selected Availability
SADM Statistical Angle-Of-Arrival And Doppler Method
SAMI Sami2 Is Another Model of the Ionosphere
TEC Total Electron Content
TECU Total Electron Content Unit
UT Universal Time
АГВ Акустико-гравитационная волна
БМЗ Быстрый магнитный звук
БРС Байкальская рифтовая система
ВАВ Внутренняя атмосферная волна
ВГВ Внутренняя гравитационная волна
ВП Волновой пакет
ГЛОНАСС, GLONASS Глобальная навигационная спутниковая система
(GLObal NAvigation Satellite System)
ГНСС Глобальные навигационные спутниковые системы
ГЭС Глобальное электронное содержание
ИИВ Изолированное ионосферное возмущение
ИИН Изолированные ионосферные неоднородности
ИСЗ Искусственный спутник Земли
ИСЗФ СО РАН Институт солнечно-земной физики Сибирского от-
деления Российской академии наук
КА Космический аппарат
КМ Крупный масштаб
ЛВТ Локальное время терминатора
МГД Магнитогидродинамический
ММЗ Медленный магнитный звук
4
МОН Магнитоориентированная неоднородность
МС Магнитосопряженный
НИСЗ Навигационный искусственный спутник Земли
ПИВ Перемещающиеся ионосферные возмущения
ПЭС Полное электронное содержание
РЭС Региональное электронное содержание
СКО Среднеквадратичное отклонение
СМ Средний масштаб
СТ Солнечный терминатор
ТЦ Тропический циклон
УАВ Ударно-акустическая волна
УФ Ультрафиолетовый
ФАР Фазированная антенная решетка
Список основных обозначений
D Дальность
Dst, Kp, Bz Индексы геомагнитной активности и z-компонента
межпланетного магнитного поля
fof2 Критическая частота F2-слоя
I (Is), dI Полное электронное содержание и вариации ПЭС
L1, L2 (f , f ) Основные рабочие диапазоны ГНСС GPS (1,57542
1 2
ГГц, 1,2276 ГГц) и ГЛОНАСС (1602±n·0,5625 МГц,
1246±n·0,4375 МГц)
L , L Измерения фазы на частотах L1 и L2 ГНСС
1 2
P , P Измерения группового пути на частотах L1 и L2
1 2
ГНСС
Mw Магнитуда землетрясения
R Радиус Земли
E
V Скорость
X, Y, Z Географические декартовы координаты
h Высота ионосферы в приближении тонкого сфери-
max
ческого слоя
α Азимут
γ Угол между лучом «спутник – приемник» и магнит-
ным полем Земли
θ Угол места
λ Длина волны
φ, φ', ℓ Географические координаты: широта, коширота и
долгота
5
Введение
«Еще на самой заре цивилизации человечество смотрело в небо, с
трепетом выискивая знаки грядущих событий». С этой фразы начинает-
ся ставшая уже классической книга Global positioning system: Theory
and Practice [Hofmann-Wellenhof, Lichtenegger, Collins, 1992]. За про-
шедшее десятилетие число публикаций, посвященных ионосферным
исследованиям, не только не уменьшилось, но даже значительно воз-
росло. Это связано, в числе прочего, с тем, что ученые убедились в на-
личии тесной связи состояния ионосферной плазмы с процессами, про-
текающими как на Солнце, так и в различных геосферах. Цепочка зем-
ная кора – атмосфера – ионосфера – магнитосфера – межпланетная
среда – Солнце является единой системой, а ионосфера является чувст-
вительным индикатором к процессам, протекающим в других оболоч-
ках. В монографии мы попытались рассмотреть ионосферные проявле-
ния процессов, протекающих в других ветвях данной цепочки, как
сверху, так и снизу.
Стоит отметить, что интерес к ионосферным исследованиям зна-
чительно усилился в связи с развитием радиотехнических систем (свя-
зи, локации и т. д.), использующих ионосферный радиоканал. Сегодня
точность таких систем ограничивается не столько аппаратурными воз-
можностями измерения параметров радиосигнала, сколько погрешно-
стью вследствие изменения параметров радиосигнала при распростра-
нении в неоднородной среде.
С развитием систем спутникового зондирования Земли из космоса
открылись новые возможности для дистанционного радиозондирования
ионосферы. Новая эра спутниковых исследований началась с развитием
глобальных навигационных систем (ГНСС) ГЛОНАСС (Глобальная на-
вигационная система) и GPS (Global Positioning System), так как воз-
можности этих систем оказались гораздо шире рамок собственно нави-
гационных задач, для решения которых эти системы изначально пред-
назначались. Мониторинг состояния ионосферной плазмы на основе
синхронных измерений кодовой псевдозадержки и фаз несущих сигна-
лов навигационных спутников в частотных диапазонах L1 и L2
ГЛОНАСС и GPS в последние годы получил беспрецедентное развитие.
В ИСЗФ СО РАН проф. Э. Л. Афраймовичем была создана группа,
занимающаяся решением задач диагностики состояния ионосферной
плазмы с использованием данных глобальных навигационных спутни-
ковых систем. Это были одни из первых работ по ГНСС-зондированию
в России и мире. В период с 1998 по 2009 г. под руководством Э. Л. Аф-
раймовича были разработаны уникальные методики и получены ре-
зультаты мирового уровня.
6
Результаты, вошедшие в настоящую монографию, являются раз-
витием работ, начатых под его руководством, и получены в ИСЗФ СО
РАН преимущественно в 2009–2013 гг. Представленные в монографии
исследования находятся на переднем крае мировых научных изысканий
и вносят существенный вклад в понимание картины формирования ио-
носферного отклика на воздействие снизу и сверху. В первой главе из-
лагаются методические основы мониторинга состояния ионосферы с
привлечением данных глобальных навигационных систем GPS и
ГЛОНАСС. Во второй главе приводятся результаты по детектированию
отклика ионосферы на землетрясения, включая сильнейшее землетря-
сение в Японии 11 марта 2011 г., а также землетрясения в Сибирском
регионе. В главе третьей рассмотрены эффекты тропических циклонов
в ионосфере. Четвертая глава посвящена проявлениям крупномасштаб-
ных магнитоориентированных возмущений. В пятой главе рассматри-
ваются ионосферные эффекты, связанные с прохождением солнечного
терминатора, и имеющие магнитогидродинамическую природу. В главе
шестой представлены результаты по исследованию возмущений ионо-
сферы во время солнечных вспышек, а также приведены данные по ди-
намике глобального и регионального электронного содержания за 1998–
2013 гг.
Труд авторов распределился следующим образом: введение, глава
1 и заключение подготовлены совместно; глава 2 – Н. П. Перевалова,
Ю. В. Ясюкевич; глава 3 – Н. П. Перевалова, А. С. Полякова, глава 4 и
глава 6 – Ю. В. Ясюкевич; глава 5 – И. К. Едемский, Ю. В. Ясюкевич.
7
ГЛАВА 1
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЛОБАЛЬНЫХ
НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
ДЛЯ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ
ИОНОСФЕРЫ
Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) были
разработаны для определения точных координат приемника, регистри-
рующего сигналы от навигационных искусственных спутников Земли
(НИСЗ) при известных координатах НИСЗ. Помимо решения непосред-
ственно геодезических прикладных задач, с их использованием осуще-
ствляется проведение фундаментальных геодинамических исследова-
ний [Сейсмоионосферные …, 2012; Jin, 2013].
В то же время возможности ГНСС нового поколения – GPS,
ГЛОНАСС (и др.) – оказались существенно шире тех, которые требо-
вались непосредственно для решения геодезических и геодинамиче-
ских задач. Сегодня навигационные системы позволяют получать ряд па-
раметров, важных для задач диагностики состояния ионосферы и около-
земного космического пространства (ОКП):
1) абсолютное полное электронное содержание (ПЭС) вдоль луча
«спутник – приемник» и его вариации;
2) плотность сбоев навигационно-временных определений;
3) интенсивность мерцаний навигационного сигнала, измеряемая
специализированными приемниками.
4) паросодержание вдоль луча «спутник – приемник».
На сегодняшний день в мире ионосферными исследованиями с
использованием ГНСС нового поколения занимается ряд групп. Груп-
па, созданная проф. Э. Л. Афраймовичем в Институте солнечно-земной
физики СО РАН (г. Иркутск), занимается определением параметров
ионосферных возмущений интерферометрическими методами [Афрай-
мович, Перевалова, 2006; A review of GPS/GLONASS studies …, 2013].
Нельзя не упомянуть о пионерских работах Э. Калле в области
исследования ионосферы с использованием GPS [Calais, Minster, 1995].
Группа под руководством проф. В. Е. Куницына в МГУ занимает-
ся решением задач восстановления электронной концентрации на осно-
ве спутниковых навигационных систем, в том числе GPS/ГЛОНАСС, с
использованием радиотомографических методов [Куницын, Терещен-
ко, Андреева, 2007; Ionospheric Sounding …, 2013].
8
В Институте радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова
РАН и НТЦ «Космонит» ОАО «Российские космические системы» ве-
дется получение профилей электронной концентрации по данным от-
дельных лучей «спутник – приемник» с использованием технологии
радиопросвечивания [Смирнов, Смирнова, 2010; Оценивание восста-
новленных по сигналам …, 2011].
Активно предпринимаются поиски предвестников землетрясений
с использованием данных GPS и ГЛОНАСС. В этом направлении дос-
таточно известны работы группы Западного отделения ИЗМИРАН [Ис-
следование ионосферных предвестников …, 2006], С. А. Пулинца
[Pulinets, 2004], K. Heki [Heki, 2011].
Группа в Парижском институте физики Земли (Institut de Physique
du Globe de Paris) под руководством prof. P. Lognonné изучает отклик
ионосферы на землетрясения и цунами на основе данных ГНСС [Rol-
land, Lognonné, Munekane, 2011].
Европейская группа под руководством prof. N. Jakowski занима-
ется вопросами исследования возмущений ПЭС с использованием на-
земных и размещенных на спутниках приемников GPS/ГЛОНАСС, а
также мерцаний навигационного сигнала [Monitoring, tracking and fore-
casting …, 2012]. В их задачи входит разработка индексов текущего со-
стояния среды распространения радиоволн.
Японская группа исследователей [A new technique for mapping …,
2002] изучает пространственные особенности вариаций ПЭС различной
природы. Ими получены интересные результаты на основе одновре-
менных измерений ПЭС и локальных параметров ионосферной плазмы.
Существует ряд научных групп в Китае, занимающихся исследо-
ваниями морфологии ионосферных неоднородностей с использованием
ГНСС (см. например, работы D. Feng и S. Jin [Climatology of medium-
scale traveling …, 2011; Jin, Luo, Park, 2008]).
Несколько научных центров в Европе и США занимаются карти-
рованием вертикального полного электронного содержания [Hernández-
Pajares, Juan, Sanz, 1999; A global mapping technique for GPS …, 1998;
Schaer, Beutler, Rothacher, 1998].
Достаточно интересны работы по определению паросодержания
ионосферы [GPS Meteorology: Remote Sensing …, 1992; Pointed Water
Vapor Radiometer …, 1993].
В данном разделе мы не имели возможности упомянуть все из-
вестные научные группы, занимающиеся изучением ионосферы на базе
ГНСС-радиозондирования. В России и мире существует ряд других
групп, работающих в различных направлениях ГНСС-исследований. Мы
старались лишь показать, насколько широко ГНСС GPS и ГЛОНАСС
9
стали использоваться для решения фундаментальных и прикладных за-
дач.
1.1. Принципы работы ГНСС GPS и ГЛОНАСС
1.1.1. Состав и структура ГНСС нового поколения
В состав любой ГНСС входят три основные подсистемы: подсис-
тема НИСЗ (космический сегмент); наземный командно-контрольный
комплекс (сегмент управления); навигационная аппаратура потребите-
лей (сегмент потребителей).
Главное требование, предъявленное к ГНСС нового поколения, –
в глобальной рабочей зоне и в любой момент времени обеспечить по-
требителю возможность определять три пространственные координаты,
точное время и вектор скорости. Для выполнения таких навигационных
измерений необходимо гарантировать непрерывную радиовидимость в
любой точке Земли одновременно не менее четырех НИСЗ, при мини-
мальном общем количестве спутников в системе. Это обстоятельство
ограничило высоту орбит НИСЗ второго поколения 20 тыс. км, так как
дальнейшее увеличение высоты не ведет к расширению зоны радиооб-
зора, а следовательно, и к уменьшению требуемого числа спутников в
системе. Минимально необходимое количество НИСЗ составляет 18,
однако его, как правило, увеличивают до 24 с целью повышения точно-
сти определения координат и скорости [Харисов, Перов, Болдин, 1998].
Координаты и скорость потребителя рассчитываются на основе изме-
рений временных задержек и доплеровского сдвига частоты радиона-
вигационных сигналов.
На сегодняшний день существует две полностью развернутых
ГНСС: российская ГЛОНАСС и американская система глобального по-
зиционирования GPS. По данным [http://www.glonass-center.ru], на
26.08.2013 система ГЛОНАСС включает в себя 29 космических аппара-
тов (КА). Из них: 23 КА используются по целевому назначению; 2 вре-
менно выведены на техобслуживание; 3 составляют орбитальный ре-
зерв и 1 аппарат находится на этапе летных испытаний.
Спутниковая группировка американской системы GPS на август
2013 г. включает 32 КА, из которых: 31 аппарат используется по целе-
вому назначению и 1 на этапе ввода в систему.
Основу работы любой ГНСС составляет принципиальная воз-
можность определения точного местоположения объекта на любой
точке земного шара по положению трех разнесенных в пространстве
удаленных объектов – так называемый метод триангуляции. Роль таких
объектов в ГНСС выполняют искусственные спутники Земли (ИСЗ).
10
