Иркутский государственный университет
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
В 2011 г. в ИСЗФ СО РАН было начато развертывание постоянно действующей сети приемников сигналов глобальных навигационных спутниковых систем. К настоящему моменту в Сибирском регионе на регулярной основе функционирует девять измерительных пунктов сети SibNet (восемь постоянных и один временный). На этих пунктах расположены двенадцать приемников: девять мультичастотных мультисистемных приемников Javad и три специализированных приемника NovAtel GPStation-6, предназначенных для измерения ионосферных фазовых и амплитудных мерцаний. Развернутая сеть позволяет проводить широкий спектр ионосферных исследований, а также изучать качество позиционирования на основе навигационных систем в различных гелиогеофизических условиях. В настоящей статье приведены общая информация о сети, ее технические характеристики и современное состояние, а также сформулированы основные задачи, которые могут решаться с помощью развернутой сети.
ионосфера, ГНСС, GPS, ГЛОНАСС, Galileo, Beidou, полное электронное содержание, мерцания, Javad, NovAtel
ВВЕДЕНИЕ
В последние двадцать лет глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) стали существенной частью экономической (в широком смысле) деятельности человека [Hofmann-Wellenhof et al., 2008]. На первом этапе существовало две ГНСС: американская система GPS (Global Positioning System) и российская ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система). В настоящее время практически завершено развертывание ГНСС Beidou/Compass в Китае, запущено более половины группировки европейской системы Galileo, развертываются спутники поддержки SBAS (Satellite Based Augmentation System).
С одной стороны, ГНСС обеспечили возможность для достаточно точной независимой навигации, что нашло широкое применение в строительстве, сельском хозяйстве, авиации, картографии и других областях. С другой стороны, ГНСС дают новый богатый экспериментальный материал по физике ионосферы, атмосферы, а также геодинамике. В области физики ионосферы появилось большое количество работ, основанных на двухчастотных фазовых измерениях, выполняемых приемниками ГНСС. Первые работы велись в основном с использованием системы GPS по причине наличия достаточного числа станций и стабильно ра
ботающей орбитальной группировки. В последние годы широко используется отечественная система ГЛОНАСС и все активнее используются альтернативные ГНСС, такие как Beidou/Compass [Kunitsyn et al., 2016] и SBAS [Kunitsyn et al., 2015]. В ионосферных исследованиях основным параметром, определяемым с помощью ГНСС-измерений, является полное электронное содержание (ПЭС, TEC — Total Electron Content). Единица измерения ПЭС — TECU (Total Electron Content Unit), 1 TECU=1016 м–2.
Значительная часть опубликованных работ, связанных с ГНСС-исследованиями ионосферы, посвящена изучению ионосферных неоднородностей различного масштаба [Афраймович, Перевалова, 2006; Jakowski et al., 2012a; Afraimovich et al., 2013; Otsuka et al., 2013; Ding et al., 2014] и ионосферных мерцаний [Aarons, 1997; Mitchell et al., 2005], картированию ионосферы [Hernández-Pajares et al., 2009] и определению абсолютных ионосферных параметров [Ясюкевич и др., 2017a; Lanyi, Roth, 1988], а также ГНСС-радиотомографии ионосферы [Ruffini et al., 1998; Mitchell, Spencer, 2003; Nesterov, Kunitsyn, 2011]. Широкое применение находит технология ассимиляции. Ассимиляционные модели, например Utah State University Global Assimilation of Ionospheric Measurements (USU-GAIM) Model [Schunk et al., 2004] или модель Центральной аэрологической обсерватории Росгидромета [Solomentsev et al., 2012], используются как для научных исследований физики процессов, так и для решения ряда других задач. В прикладном аспекте ГНСС используются для корректировки радиотехнических систем [Afraimovich, Yasukevich, 2008; Ясюкевич и др., 2017б], включая радарные системы [Ovodenko et al., 2015], для улучшения качества моделей [Arikan et al., 2016], что особенно актуально в системах реального времени [Zolesi et al., 2004].
Развивается направление построения индексов состояния ионосферы и околоземного космического пространства на основе данных ГНСС. В настоящий момент широко известен индекс ROTI — Rate-of-TEC index [Pi et al., 1997] и его улучшенные версии AATR — Along Arc TEC Rate [Juan et al., 2018] и DIX — Disturbance Ionosphere indeX [Jakowski et al., 2012b]. Существуют индексы, показывающие возмущенность ионосферы локально [Voeykov et al., 2016], регионально [Nesterov et al., 2017] и глобально [Gulyaeva, Stanislawska, 2008]. Кроме того, разработана методика оценки общего уровня ионосферной плазмы — глобального электронного содержания (ГЭС) [Afraimovich et al., 2008], основанная на технологии глобальных ионосферных карт (GIM — Global Ionosphere Maps) [Mannucci et al., 1998; Schaer et al., 1998].
___________________________________________________________________________
Работа выполнена в рамках базового финансирования программы ФНИ II.16 на оборудовании центра коллективного пользования «Ангара», http://ckp-rf.ru/ckp/3056. Обработка рядов вариаций ПЭС выполнена в рамках гранта Российского научного фонда проект № 17-77-20005.
1. Алпатов В.В., Куницын В.Е., Лапшин В.Б. и др. Опыт создания Росгидрометом сети радиотомографии для исследования и мониторинга ионосферы // Гелиогеофи-зические исследования. 2012. Вып. 2. С. 60-71.
2. Афраймович Э.Л. Интерференционные методы радиозондирования ионосферы. М.: Наука, 1982. 198 с.
3. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск: ГУ НЦ ВСНЦ СО РАМН, 2006. 480 с.
4. Афраймович Э.Л., Жеребцов Г.А., Перевалова Н.П. и др. Сейсмоионосферные и сейсмоэлектромагнитные процессы в Байкальской рифтовой зоне / отв. ред. Г.А. Жеребцов. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2012. 304 с. (Интеграционные проекты СО РАН, вып. 35).
5. Лухнева О.Ф., Дембелов М.Г., Лухнев А.В. Определе-ние атмосферного влагосодержания по метеорологичес-ким и GPS-данным // Геодинамика и тектонофизика. 2016. Т. 7, № 4. С. 545-553. DOI:https://doi.org/10.5800/GT-2016-7-4-0222.
6. Олемской С.В. Реализация проекта «Национальный гелиогеофизический комплекс РАН» // Научный доклад на расширенном заседании Президиума СО РАН 21 декабря 2017 г. Available from: https://www.sbras.ru/files/files/prezidium 20171221/1_olemskoy.pdf (дата обращения 1 октября 2018).
7. Саньков В.А., Лухнев А.В., Мирошниченко А.И. и др. Современные горизонтальные движения и сейсмичность южной части Байкальской впадины (Байкальская рифто-вая система) // Физика Земли. 2014. № 6. С. 70-79.
8. Сорокин А.А., Королев С.П., Шестаков Н.В. Органи-зация работы с данными глобальных навигационных спутниковых систем для комплексного исследования современных геодинамических процессов на юге Даль-него Востока России // Современные проблемы дистанци-онного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14, № 3. С. 158-172. DOI:https://doi.org/10.21046/2070-7401-2017-14-3-158-172.
9. Ясюкевич Ю.В., Мыльникова А.А., Иванов В.Б. Определение абсолютного полного электронного содержания по одночастотным спутниковым радионавигационным данным GPS/ГЛОНАСС. Солнечно-земная физика. 2017а. Т. 3, № 1. З. 97-103. DOI: 10/12737/23509.
10. Ясюкевич Ю.В., Оводенко В.Б., Мыльникова А.А. и др. Методы компенсации ионосферной составляющей ошибки радиотехнических систем с применением данных полного электронного содержания GPS/ГЛОНАСС // Вестник Поволжского государственного технологического универси-тета. Сер. Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2017б. № 2 (34). С. 19-31. DOI:https://doi.org/10.15350/2306-2819.2017.1.19.
11. Aarons J. Global positioning system phase fluctuations at auroral latitudes // J. Geophys. Res. 1997. V. 102, N A8. P. 17219-17231. DOI:https://doi.org/10.1029/97JA01118.
12. 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. DOI: 10.1016/ j.jastp.2008.05.006.
13. 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. P. 335-344. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-26-335-2008.
14. Afraimovich E.L., Astafyeva E.I., Demyanov V.V., et al. Review of GPS/GLONASS studies of the ionospheric response to natural and anthropogenic processes and phenomena // J. Space Weather and Space Climate. 2013. V. 3. A27. DOI:https://doi.org/10.1051/swsc/2013049.
15. Arikan F., Shukurov S., Tuna H., et al. Performance of GPS slant total electron content and IRI-Plas-STEC for days with ionospheric disturbance // Geodesy and Geodynamics. 2016. V. 7, N 1. P. 1-10. DOI:https://doi.org/10.1016/j.geog.2015.12.009.
16. Astafyeva E., Zakharenkova I., Huba J.D., et al. Global Ionospheric and thermospheric effects of the June 2015 geomagnetic disturbances: Multi-instrumental observations and modeling // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017. V. 122. P. 11,716-11,742. DOI:https://doi.org/10.1002/2017JA024174.
17. Bender M., Dick G., Ge M., et al. Development of a GNSS water vapour tomography system using algebraic reconstruction techniques // Adv. Space Res. 2011. V. 47. P. 1704-1720. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2010.05.034.
18. Bevis M., Businger S., Herring T.A., et al. GPS meteorology: Remote sensing of atmospheric water vapor using the global positioning system // J. Geophys. Res. 1992. V. 97. D14. P. 15787-15801. DOI:https://doi.org/10.1029/92JD01517.
19. Devi M., Barbara A.K., Oyama K.-I., Chen C.-H. Earthquake induced dynamics at the ionosphere in presence of magnetic storm // Adv. Space Res. 2014. V. 53. P. 609-618. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2013.11.054.
20. Ding F., Wan W., Li Q., et al. Comparative climatological study of large-scale traveling ionospheric disturbances over North America and China in 2011-2012 // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2014. V. 119. P. 519-529. DOI:https://doi.org/10.1002/2013JA 019523.
21. Dong Z., Jin S. 3-D water vapor tomography in Wuhan from GPS, BDS and GLONASS Observations // Remote Sens. 2018. V. 10, N 1. 62. DOI:https://doi.org/10.3390/rs10010062.
22. 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.
23. Gulyaeva T.L., Stanislawska I. Derivation of a planetary ionospheric storm index // Ann. Geophys. 2008. V. 26. P. 2645-2648. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-26-2645-2008.
24. 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, N 3-4. P. 263-275. DOI:https://doi.org/10.1007/s00190-008-0266-1.
25. Hofmann-Wellenhof B., Lichtenegger H., Wasle E. GNSS-Global Navigation Satellite Systems, Springer, 2008. 531 р. DOI:https://doi.org/10.1007/978-3-211-73017-1.
26. Jakowski N., Beniguel Y., de Franceschi G., et al. Monitoring, tracking and forecasting ionospheric perturbations using GNSS techniques // J. Space Weather and Space Climate. 2012a. V. 2. A22. DOI:https://doi.org/10.1051/swsc/2012022.
27. Jakowski N., Borries C., Wilken V. Introducing a Disturbance Ionosphere Index (DIX) // Radio Sci. 2 012b. V. 47, RS0L14. DOI:https://doi.org/10.1029/2011RS004939.
28. Jayachandran P.T., Langley R.B., MacDougall J.W., et al. The Canadian high arctic ionospheric network (CHAIN) // Radio Sci. 2009. V. 44. RS0A03. DOI:https://doi.org/10.1029/2008RS004046.
29. Jin S., Occhipinti G., Jin R. GNSS ionospheric seismology: Recent observation evidences and characteristics // Earth Sci. Rev. 2015. V. 147. P. 54-64. DOI:https://doi.org/10.1016/j. earscirev.2015.05.003.
30. Juan J.M., Sanz J., Rovira-Garcia A., et al. AATR an ionospheric activity indicator specifically based on GNSS measurements // J. Space Weather and Space Climate. 2018. V. 8. A14. DOI:https://doi.org/10.1051/swsc/2017044.
31. Kunitsyn V., Kurbatov G., Yasyukevich Yu., Padokhin A. Investigation of SBAS L1/L5 signals and their application to the ionospheric TEC studies // Geoscience and Remote Sensing Lett. 2015. V. 12, N 3. P. 547-551. DOI:https://doi.org/10.1109/LGRS.2014. 2350037.
32. Kunitsyn V.E., Padokhin A.M., Kurbatov G.A., et al. Ionospheric TEC estimation with the signals of various geostationary navigational satellites // GPS Solutions. 2016. V. 20, N 4. P. 877-884. DOI:https://doi.org/10.1007/s10291-015-0500-2.
33. 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/rs023 i004p00483.
34. Larson K.M., Nievinski F.G. GPS snow sensing: results from the Earth Scope Plate Boundary Observatory // GPS Solutions. 2013. V. 17. P. 41-52. DOI:https://doi.org/10.1007/s10291-012-0259-7.
35. Löfgren J.S., Haas R., Johansson J.M. Monitoring coastal sea level using reflected GNSS signals // Adv. Space Res. 2011. V. 47, N 2, P. 213-220. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2010.08.015.
36. Lukhnev A.V., San’kov V.A., Miroshnichenko A.I., et al. GPS rotation and strain rates in the Baikal-Mongolia region // Russian Geology and Geophysics. 2010. V. 51, N 7. P. 785-793. DOI:https://doi.org/10.1016/j.rgg.2010.06.006.
37. 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, N 3. P. 565-582. DOI:https://doi.org/10.1029/97RS02707.
38. Mazzotti S., Dragert H., Henton J., et al. Current tectonics of northern Cascadia from a decade of GPS measurements // J. Geophys. Res. 2003. V. 108, N B12. 2554. DOI: 10.1029/ 2003JB002653.
39. Mitchell C.N., Spencer P.S.J. A three-dimensional time-dependent algorithm for ionospheric imaging using GPS // Ann. Geophys. 2003. V. 46, N 4. P. 687-696. DOI: 10.4401/ ag-4373.
40. Mitchell C.N., Alfonsi L., de Franceschi G., et al. GPS TEC and scintillation measurements from the polar ionosphere during the October 2003 storm // Geophys. Res. Lett. 2005. V. 32. L12S03. DOI:https://doi.org/10.1029/2004GL021644.
41. Nesterov I.A., Kunitsyn V.E. GNSS radio tomography of the ionosphere: The problem with essentially incomplete data // Adv. Space Res. 2011. V. 47, N 10. P. 1789-1803. DOI: 10.1016/ j.asr.2010.11.034.
42. Nesterov I.A., Andreeva E.S., Padokhin A.M., et al. Ionospheric perturbation indices based on the low- and high-orbiting satellite radio tomography data // GPS Solutions. 2017. V. 21, N4. P. 1679-1694. DOI:https://doi.org/10.1007/s10291-017-0646-1.
43. Otsuka Y., Suzuki K., Nakagawa S., et al. GPS observations of medium-scale traveling ionospheric disturbances over Europe // Ann. Geophys. 2013. V. 31, N 2. P. 163-172. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-31-163-2013.
44. 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. V. 56, N 5. P. 900-906. DOI: 10.1016/ j.asr.2015.05.017.
45. Padokhin A.M., Kurbatov G.A., Andreeva E.S., et al. Estimation of sea level variations with GPS/GLONASS-reflectometry technique // Proc. Of SPIE. 2017. V. 104667J: 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. DOI:https://doi.org/10.1117/12.2288741.
46. Perevalova N.P., Shestakov N.V., Voeykov S.V., et al. Ionospheric disturbances in the vicinity of the Chelyabinsk meteoroid explosive disruption as inferred from dense GPS observations // Geophys. Res. Lett. 2015. V. 42. P. 6535-6543. DOI:https://doi.org/10.1002/2015GL064792.
47. Pi X., Mannucci A.J., Lindqwister U.J., Ho C.M. Monito-ring of global ionospheric irregularities using the worldwide GPSnetwork // Geophys. Res. Lett. 1997. V. 24. P. 2283−2286. DOI:https://doi.org/10.1029/97GL02273.
48. Priego E., Jones J., Porres M.J., Seco A. Monitoring water vapour with GNSS during a heavy rainfall event in the Spanish Mediterranean area // Geomatics, Natural Hazards and Risk. 2017. V. 8, N 2. P. 282-294. DOI:https://doi.org/10.1080/194757 05.2016.1201150.
49. Ruffini G., Flores A., Rius A. GPS tomography of the ionospheric electron content with a correlation functional // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1998. V. 36, N 1. P. 143-153. DOI:https://doi.org/10.1109/36.655324.
50. Segall P., Davis J.L. GPS applications for geodynamics and earthquake studies // Ann. Rev. Earth Planet. Sci. 1997. V. 25. P. 301-336. DOI:https://doi.org/10.1146/annurev.earth.25.1.301.
51. Schaer S., Beutler G., Rothacher M. Mapping and predicting the ionosphere // Proc. IGS AC Workshop, Darmstadt, Germany, February 9-11, 1998. P. 307-320.
52. Schunk R.W., Scherliess L., Sojka J.J., Thompson D. Global Assimilation of Ionospheric Measurements (GAIM) // Radio Sci. 2004. V. 39, RS1S02. DOI:https://doi.org/10.1029/2002RS002794.
53. Shanmugam S., Jones J., MacAulay A., van Dierendonck A.J. Evolution to modernized GNSS ionospheric scintillation and TEC monitoring // IEEE/ION PLANS 2012 - April 24-26, Myrtle Beach, SC, Session B2A. 2012. Available from: http://www.novatel.com/assets/Documents/Papers/PID2363033.pdf (дата обращения 1 октября 2018).
54. Shestakov N.V., Gerasimenko M.D., Takahashi H., et al. Present tectonics of the southeast of Russia as seen from GPS observations // Geophys. J. Intern. 2011. V. 184, N 2. P. 529-540. DOI:https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2010.04871.x.
55. Solomentsev D., Khattatov B., Codrescu M., et al. Ionosphere state and parameter estimation using the ensemble square root filter and the global three-dimensional first-principle model // Space Weather. 2012. V. 10. S07004. DOI:https://doi.org/10.1029/2012SW000777.
56. Tsugawa T., Nishioka M., Ishii M., et al. Total electron content observations by dense regional and worldwide international networks of GNSS // J. Disaster Res. 2018. V. 13, N 3. P. 535-545. DOI:https://doi.org/10.20965/jdr.2018.p0535.
57. Voeykov S.V., Berngardt O.I., Shestakov N.V. Use of the index of TEC vertical variation disturbance in studying ionospheric effects of the Chelyabinsk meteorite // Geomagnetism and Aeronomy. 2016. V. 56, N 2. P. 219-228. DOI:https://doi.org/10.1134/S0016793216020122.
58. Yasyukevich Yu.V., Zhivetiev I.V., Kiselev A.V., et al. Tool for creating maps of GNSS total electron content // Proc. Progress in Electromagnetics Research Symposium. Toyama, Japan, 1-4 August 2018. 180330063056.
59. Yeh K.C., Liu C.H. Radio wave scintillation in the ionosphere // Proc. of IEEE. 1982. V. 70, N 4. P. 324-360. DOI:https://doi.org/10.1109/PROC.1982.12313.
60. Zhou F., Dong D., Li W., et al. GAMP: An open-source software of multi-GNSS precise point positioning using undifferenced and uncombined observations // GPS Solutions. 2018. V. 22. 33. DOI:https://doi.org/10.1007/s10291-018-0699-9.
61. Zolesi B., Belehaki A., Tsagouri I., Cander Lj.R. Real-time updating of the Simplified Ionospheric Regional Model for operational applications // Radio Sci. 2004. V. 39, N 2. RS2011. DOI:https://doi.org/10.1029/2003RS002936.
62. URL: http://www.unavco.org (дата обращения 1 октября 2018).
63. URL: ftp://terras.gsi.go.jp/data (дата обращения 1 октября 2018).
64. URL: ftp://nfs.kasi.re.kr/gps/data/daily (дата обращения 1 октября 2018).
65. URL: ftp://ftp.sonel.org/gps/data (дата обращения 1 октября 2018).
66. URL: ftp://ftp.trignet.co.za (дата обращения 1 октября 2018).
67. URL: https://hive.geosystems.aero (дата обращения 1 октября 2018).
68. URL: http://smartnet-ru.com (дата обращения 1 октября 2018).
69. URL: https://eft-cors.ru (дата обращения 1 октября 2018).
70. URL: http://rtknet.ru (дата обращения 1 октября 2018).
71. URL: https://simurg.iszf.irk.ru (дата обращения 1 октября 2018).
72. URL: http://ckp-rf.ru/ckp/3056 (дата обращения 1 октября 2018).
73. URL: http://omniweb.gsfc.nasa.gov (дата обращения 1 октября 2018).
