ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РЕГИСТРАЦИИ ИОНОСФЕРНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ПО ДАННЫМ СЕТИ SIBNET ПРИЕМНИКОВ ГНСС В АКТИВНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Глобальная и региональные сети ГНСС-приемников много лет эффективно используются для геофизических исследований, причем число постоянно действующих приемников в мире неуклонно растет. В статье приводятся первые результаты использования новой региональной сети SibNet станций ГНСС в активных космических экспериментах. Сеть SibNet создана в Институте солнечно-земной физики (ИСЗФ СО РАН) в Южном Прибайкалье. Представлено подробное описание сети, характеристики используемых приемников, параметры антенн и способы их установки, приводится структура наблюдательных пунктов в целом, а также схемы покрытия радиотрассами региона действия приемника на широтах 50–55°. Показано, что выбранное расположение приемников позволяет регистрировать ионосферные неоднородности различного масштаба. Целью активных космических экспериментов было обнаружение и регистрация параметров ионосферных неоднородностей, вызванных воздействием струи реактивных двигателей космических кораблей серии «Прогресс». Использование метода картирования позволило обнаружить слабые высотно-локализованные ионосферные неоднородности и связать их с воздействием двигателей кораблей «Прогресс». Таким образом, показано, что развернутая сеть SibNet двухчастотных ГНСС-приемников в Южном Прибайкалье является эффективным инструментом мониторинга состояния ионосферы.

Ключевые слова:
ионосфера, ГНСC, SibNet, «Прогресс»
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

ВВЕДЕНИЕ

Для исследования ионосферы в настоящее время широко применяют сети наземных приемников глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), таких как ГЛОНАСС и GPS. Каждый приемник проводит одновременное слежение более чем за двумя десятками спутников ГНСС. Сопровождение сигналов от каждого спутника происходит минимум на двух независимых частотах, что позволяет по измерениям приемника рассчитывать вариации полного электронного содержания (ПЭС) в ионосфере. Таким образом, развертывание в регионе сети из нескольких десятков приемников обеспечивает возможность одновременного просвечивания ионосферы сотнями лучей спутник—приемник. Указанное преимущество, а также относительно невысокая цена и простота развертывания сети приводит к тому, что использование ГНСС в геофизических исследованиях оказывается целесообразным.

Отдельные плотные сети приемных станций ГНСС, например сеть GEONET в Японии, уже много лет широко используются в качестве разнесенного инструмента мониторинга состояния ионосферы. По данным таких сетей проводятся исследования реакции ионосферы на солнечные вспышки и затмения [Afraimovich, 2000; Liu, Lin, 2004; Afraimovich et al., 2007], геомагнитные бури [Perevalova et al., 2008; Shimeis et al., 2015] и мощные техногенные воздействия [Ding et al., 2014; Zherebtsov, Perevalova, 2016]. В последние годы большое внимание уделяется анализу мерцаний сигналов ГНСС [Prikryl et al., 2010; Jiao et al., 2013; Spogli et al., 2013], что позволяет получать информацию о параметрах мелкомасштабных ионосферных неоднородностей, приводящих к рассеянию радиосигналов и снижению качества радиосвязи. Результаты всех этих исследований, с одной стороны, помогают более детально разобраться в физике наблюдаемых явлений, а с другой, позволяют улучшать функционирование самих ГНСС: повышать точность определения координат, снижать вероятность сбоев и т. п. [Prikryl et al., 2010; Demyanov, Yasyukevich, 2011; Demyanov et al., 2012; Lejeune et al., 2012; Jiao et al., 2013]. Для сейсмоопасных регионов (в частности, для Байкальской рифтовой системы) важной прикладной задачей является также поиск откликов и возможных предвестников землетрясений [Сейсмоионосферные…, 2012]. Кроме того, совокупность всех сетей станций ГНСС может выступать в качестве всепланетного инструмента исследования околоземного космического пространства [Afrai-movich et al., 2013]. Однако распределение приемников ГНСС по земному шару крайне неравномерно. Очень низка плотность ГНСС-сетей в России. До недавнего времени на большой территории Байкальского региона стабильно работали всего две станции ГНСС: BADG и IRKT. В 2012 г. в ИСЗФ СО РАН начато развертывание сети постоянно действующих двухчастотных приемников ГНСС.

В силу уникальных природных особенностей (оз. Байкал, система рифтовых разломов, высота над уровнем моря, большое число солнечных дней в году и др.) район Прибайкалья является крайне интересным для всестороннего исследования. Это определило создание в регионе развитого комплекса гелиогеофизических инструментов, на которых ведутся регулярные наблюдения Солнца, космической погоды, магнитного поля Земли, ионосферы [Сейсмоионосферные…, 2012; Институт..., 2015]. Сеть приемников ГНСС дополнила комплекс инструментов ИСЗФ СО РАН.

В 2009–2014 гг. с помощью этого комплекса [Институт…, 2015; Сейсмоионосферные…, 2012] (вблизи оз. Байкал), проводилась серия активных космических экспериментов (КЭ) «Радар—Прогресс» по регистрации ионосферных эффектов, вызванных включением сближающе-корректирующих двигателей (СКД) транспортно-грузовых кораблей (ТГК) серии «Прогресс» после отстыковки от международной космической станции (МКС). По согласованию с ИСЗФ СО РАН включение двигательной установки (ДУ) происходило при пролете ТГК над обсерваториями Института [Khakhinov et al., 2011, 2012; Борисов и др., 2012; Хахинов и др., 2010, 2012, 2013,]. ТГК этом был ориентирован так, что реактивная струя была направлена на наземные инструменты. Целью эксперимента было обнаружение и одновременная регистрация эффектов воздействия струи с помощью различных геофизических инструментов [Лебедев и др., 2014; Еселевич и др., 2016; Липко и др., 2016; Клунко и др., 2016; Белецкий и др. 2016; Шпынев и др., 2017]. Наряду с другими инструментами для регистрации эффектов работы двигателей ТГК использовалась и новая региональная сеть станций ГНСС (SibNet), создаваемая в ИСЗФ СО РАН. Описанию и первым результатам использования ГНСС-сети SibNet для обнаружения ионосферного отклика на работу реактивных двигателей ТГК «Прогресс» посвящена настоящая статья.

Список литературы

1. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск: Изд-во ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН. 2006. C. 480.

2. Белецкий А.Б., Михалев А.В., Хахинов В.В., Лебедев В.П. Оптическое проявление работы бортовых двигателей низкоорбитальных космических аппаратов // Солнечно-земная физика. 2016. Т. 2, № 4. C. 85–91. DOI: 10.12737/ 21169.

3. Борисов Б.С., Габдуллин Ф.Ф., Гаркуша В.И., Корсун А.Г., Куршаков М.Ю., Страшинский В.А., Твердохлебова Е.М., Хахинов В.В. Радиофизические характеристики плазменного окружения низкоорбитальных КА по данным космических экспериментов // Нелинейный мир. 2012. Т. 10, № 10. С. 700–709.

4. Еселевич М.В., Хахинов В.В., Клунко Е.В. Параметры оптических сигналов на телескопе АЗЕ-33ИК, зарегистрированных в активном космическом эксперименте «Радар-Прогресс» // Солнечно-земная физика. 2016. Т. 2, № 3. C. 24–32. DOI: 10.12737/20494.

5. Захаров В.И., Ясюкевич Ю.В., Титова М.А. Влияние магнитных бурь и суббурь на свои навигационной системы GPS в высоких широтах // Космические иссл. 2016. Т. 54, № 1. С. 23–33.

6. Институт солнечно-земной физики: создание и развитие / отв. ред. Жеребцов Г.А. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2015. C. 610.

7. Ишин А.Б., Перевалова Н.П., Воейков С.В. Комплексный анализ реакции ионосферы на работу двигательных установок ТГК «Прогресс» по данным ГНСС-приемников в Байкальском регионе // Солнечно-земная физика. 2017. Т. 3, № 4. С. 93–103. DOI: 10.12737/iszf-34201709.

8. Клунко Е.В., Еселевич М.В., Тергоев В.И. Наблюдения ТГК «Прогресс» на оптическом телескопе АЗЕ-33ИК // Солнечно-земная физика. 2016. Т. 2, № 3. C. 17–23. DOI: 10/12737/20492.

9. Куницын В.Е., Нестеров И.А., Шалимов С.Л. Мегаземлетрясение в Японии 11 марта 2011 г.: регистрация ионосферных возмущений по данным GPS // Письма в ЖЭТФ. 2011. T. 94, № 8. C. 657–661.

10. Лебедев В.П., Хахинов В.В., Кушнарев Д.С. и др. Радиофизические эффекты работы двигателя космического аппарата // XXIV Всероссийская научная конференция, посвященная 100-летию со дня рождения проф. В.М. Полякова «Распространение радиоволн» (РРВ-24, Иркутск, 29 июня ¬¬– 5 июля 2014): Труды конференции. 2014. Т. 1. С. 60–66.

11. Липко Ю.В., Пашинин А.Ю., Рахматулин Р.А., Хахинов В.В. Эффекты в магнитном поле земли от работы двигателей космического корабля // Солнечно-земная физика. 2016. Т. 2, № 3. C. 33–40. DOI: 10.12737/19634.

12. Перевалова Н.П., Воейков С.В., Ясюкевич Ю.В., Ишин А.Б., Воейкова Е.С., Саньков В.А. Исследование ионосферных возмущений, вызванных землетрясением в Японии 11 марта 2011 г., по данным сети GEONET // Современные проблемы зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9, № 3. C. 172–180.

13. Перевалов А.А., Перевалова Н.П. Управление и сбор данных с двухчастотного ГНСС-приемника Javad Delta через интерфейсы USB и RS-232 в интерактивном и пакетном режимах в операционной системе Linux // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2016613942. 12.04.2016.

14. Сейсмоионосферные и сейсмоэлектромагнитные процессы в Байкальской рифтовой зоне / отв. ред. Жеребцов Г.А. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2012. 304 с. (Интеграционные проекты СО РАН. Вып. 35).

15. Хахинов В.В., Потехин А.П., Лебедев В.П., Медведев А.В., Кушнарев Д.С., Шпынев Б.Г., Заруднев В.Е., Алсаткин С.С., Ратовский К.Г., Подлесный А.В., Брынько И.Г. Радиофизические методы диагностики ионосферных возмущений, генерируемые бортовыми двигателями ТГК «Прогресс»: алгоритмы, инструменты и результаты // Журнал радиоэлектроники. 2010. С. 553–569.

16. Хахинов В.В., Потехин А.П., Лебедев В.П., Алсаткин С.С., Ратовский К.Г., Кушнарев Д.С., Твердохлебова Е.М., Куршаков М.Ю., Манжелей А.И., Тимофеева Н.И. Результаты дистанционного зондирования ионосферных возмущений в активных космических экспериментах «Радар–Прогресс» // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9, № 3. С. 199–206.

17. Хахинов В.В., Потехин А.П., Лебедев В.П., Кушнарев Д.С., Алсаткин С.С. Некоторые результаты активных космических экспериментов «Плазма–Прогресс» и «Радар–Прогресс» // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева. 2013. Спец. вып. Т. 5, № 51. С. 160–162.

18. Шпынев Б.Г., Алсаткин С.С., Хахинов В.В., Лебедев В.П. Исследование реакции ионосферы на продукты горения топлива при работе двигателей транспортных грузовых кораблей серии «Прогресс» по данным Иркутского радара некогерентного рассеяния // Солнечно-земная физика. 2017. Т. 3, № 1. C. 88–96. DOI: 10.12737/22812.

19. Ясюкевич Ю.В., Захаров В.И., Куницын В.Е., Воейков С.В. Отклик ионосферы на землетрясение в Японии 11 марта 2011 г. по данным различных GPS-методик // Геомагнетизм и аэрономия. 2015. Т. 55, № 1. С. 113.

20. Afraimovich E.L. GPS global detection of the ionospheric response to solar flares // Radio Sci. 2000. V. 35, N 6. P. 1417–1424.

21. Afraimovich E.L., Astafyeva E.I., Demyanov V.V., Edemsky I.K., Gavrilyuk N.S., Ishin A.B., Kosogorov E.A., Leonovich L.A., Lesyuta O.S., Palamarchuk K.S., Pere-valova N.P., Polyakova A.S., Smolkov G.Ya., Voeykov S.V., Yasyukevich Yu.V., Zhivetiev I.V. A review of GPS/GLONASS studies of the ionospheric response to natural and anthropogenic processes and phenomena // J. Space Weather Space Climate. 2013. N 3. P. A27_p1–A27_P19. DOI: 10.1051/ swsc/2013049

22. Afraimovich E.L., Voeykov S.V., Perevalova N.P. et al. Ionospheric effects of the March 29, 2006, solar eclipse over Kazakhstan // Geomagnetism and Aeronomy. 2007. V. 47, N 4. P. 461–469.

23. Astafyeva E., Rolland L., Lognonne P., Khelfi K., Yahagi T. Parameters of seismic source as deduced from 1 Hz ionospheric GPS data: Case study of the 2011 Tohoku-Oki event // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2013. V. 118. P. 5942–5950. DOI: 10.1002/jgra.50556

24. Demyanov V.V., Afraimovich E.L., Jin S. An evaluation of potential solar radio emission power threat on GPS and GLONASS performance // GPS Solutions. 2012. V. 16, N 4. P. 411–424.

25. Demyanov V.V., Yasyukevich Yu.V. Deterioration in the accuracy of GPS system positioning due to the effect of ionospheric bubbles // Geomagnetism and Aeronomy. 2011. V. 51, N 7. P. 1010–1013.

26. Ding F., Wan W., Mao T. et al. Ionospheric response to the shock and acoustic waves excited by the launch of the Shenzhou-10 spacecraft // Geophys. Res. Lett. 2014. V. 41. P. 3351–3358.

27. GREIS: GNSS Receiver External Interface Specification. Version 3.2.0. Javad GNSS. 2010. URL: www.javad.com/jgnss/ support/manuals.html

28. Jiao Y., Morton Y.T., Taylor S., Pelgrum W. Characterization of high-latitude ionospheric scintillation of GPS signals // Radio Sci. 2013. V. 48, iss. 6. P. 698–708.

29. Hofmann-Wellenhof B., Lichtenegger H., Collins J. Global Positioning System: Theory and Practice. New York. Springer-Verlag Wien, 1992. P. 327.

30. Khakhinov V., Potekhin A., Shpynev B., Alsatkin S., Ratovsky K., Lebedev V., Kushnarev D. Results of complex radiosounding of ionospheric disturbances generated by the transport spacecraft Progress onboard thrusters // 2011 30th URSI General Assembly and Scientific Symposium URSIGASS 2011. 2011. P. 6051169.

31. Khakhinov V.V., Shpynev B.G., Lebedev V.P., Kushnarev D.S., Alsatkin S.S., Khabituev D.S. Radiosounding of ionospheric disturbances generated by exhaust streams of the transport spacecraft Progress engines // Proc. PIERS-2012. (Progress in Electromagnetics Research Symposium). Moscow. 2012. P. 1168–1171.

32. Lejeune S, Wautelet G, Warnant R Ionospheric effects on relative positioning within a dense GPS network // GPS Solutions. 2012. V. 16, N 1. P. 105–116.

33. Liu J.Y., Lin C.H. Ionospheric solar flare effects monitored by the ground based GPS receivers: Theory and observation // J. Geophys. Res. 2004. V. 109. A01307.

34. Perevalova N.P., Afraimovich E.L., Voeykov S.V., Zhivetiev I.V. Parameters of large scale TEC disturbances during strong magnetic storm on October 29, 2003 // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. A00A13. DOI: 10.1029/2008JA013137

35. Prikryl P., Jayachandran P.T., Mushini S.C., Pokhotelov D., MacDougall J.W., Donovan E., Spanswick E., St.-Maurice J.-P. GPS TEC, scintillation and cycle slips observed at high latitudes during solar minimum // Ann. Geophys. 2010. V. 28. P. 1307–1316.

36. Shimeis A., Borries C., Amory-Mazaudier C., Fleury R., Mahrous A.M., Hassan A.F., Nawar S. TEC variations along an East Euro-African chain during 5th April 2010 geomagnetic storm // Adv. Space Res. 2015. N 55. P. 2239–2247.

37. Spogli L., Alfonsi L., Cilliers P.J., Correia E., Franceschi G., Mitchell C.N., Romano V., Kinrade J., Cabrera M.A. GPS scintillations and total electron content climatology in the southern low, middle and high latitude regions // Ann. Geophys. 2013. V. 56, N 2. R0220.

38. Tsugawa T., Saito A., Otsuka Y. et al. Ionospheric disturbances detected by GPS total electron content observation after the 2011 Tohoku Earthquake // Earth, Planets and Space. 2011. V. 63. N 7. P. 875–879.

39. Zherebtsov G.A., Perevalova N.P. Ionospheric response to a rocket launch from the Vostochnyi cosmodrome // Doklady Earth Sci. 2016. V. 471, part 2. P. 1280–1283.