Диссертация (Ассимиляционная модель ионосферы на основе независимой оценки аппаратных дифференциальных задержек)

Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингуокружающей средыЦентральная Аэрологическая ОбсерваторияНа правах рукописиТитов Антон АлександровичАссимиляционная модель ионосферы на основе независимойоценки аппаратных дифференциальных задержек25.00.29-физика атмосферы и гидросферыДиссертация на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель к.ф-м.н Хаттатов В.У.Москва – 20151ОглавлениеОглавление .....................................................................................................

2Введение......................................................................................................... 51.Глава 1. Обзор по теме диссертации ................................................ 121.1 Введение ............................................................................................. 121.2 Обзор средств дистанционного мониторинга ионосферы ............ 131.3 Методы моделирования состава ионосферы. ................................. 161.4 Выводы ................................................................................................ 202.Глава 2.

Описание ассимиляционной модели ионосферы ............. 212.1. Физически обоснованная теоретическая численная модельионосферы ........................................................................................................... 212.2. Применение методики ассимиляции данных для определениятекущего состояния ионосферы ....................................................................... 262.3. Структурная схема ассимиляционной модели ионосферы .......... 302.4. Результаты валидации ассимиляционной модели по независимымэкспериментальным данным ............................................................................. 322.4.1. Сравнение с данными радара некогерентного рассеяния ......

322.4.2. Сравнение данных ассимиляционной модели с данными сетиионозондов ....................................................................................................... 362.4.3. Сравнение региональной модели с данными системыCOSMIC/FORMOSAT-3 ................................................................................. 432.5. Моделирование ионосферы в возмущенных условиях ................ 453.Глава 3. Оценка дифференциальныхаппаратных задержекглобальных навигационных спутниковых систем ............................................. 553.1 Введение .............................................................................................

5523.2 Методы и алгоритм определения дифференциальных аппаратныхзадержек ГНСС................................................................................................... 573.3 Входные данные ................................................................................. 753.3.1. Формат обмена навигационными данными RINEX. Файлынаблюдений. ....................................................................................................

753.3.2.ФорматобменанавигационнымиданнымиRINEX.Навигационные файлы. .................................................................................. 763.3.3. Формат данных SP3. Файлы эфемерид и поправок бортовыхчасов ................................................................................................................. 774.Глава 4. Технология мониторинга состояния ионосферы на основеассимиляционной модели ..................................................................................... 794.1. Описание технологии мониторинга состояния ионосферы методасприменениемразработанногометодарасчетадифференциальныхаппаратных задержек .........................................................................................

794.2. Оценка дифференциальных аппаратных задержек ....................... 814.2.1. Определение дифференциальных аппаратных задержек ....... 824.2.2. Сравнение разработанного метода оценки дифференциальныхаппаратных задержек с другими методами .................................................. 874.3.Определениеоптимальногопорядкааппроксимациираспределения вертикального полного электронного содержания. .............

994.3.1.Определениеоптимальногопорядкааппроксимациираспределения вертикального ПЭС для европейского региона (GPS) ..... 994.3.2Определениеоптимальногопорядкааппроксимациираспределения вертикального ПЭС для европейского региона (ГЛОНАСС)......................................................................................................................... 10834.3.3.Определениеоптимальногопорядкааппроксимациираспределения вертикального ПЭС при использовании глобальной сетистанций ГНСС ............................................................................................... 1144.4 Расчет дифференциальных аппаратных задержек по даннымреального времени ........................................................................................... 1184.4.1 Описание программного комплекса BNC ...............................

1204.4.2 Входные и выходные данные BNC .......................................... 1214.4.3 Результаты расчетов дифференциальных аппаратных задержекпо данным реального времени. Сравнение и анализ.................................

1264.5 Применение технологии мониторинга состояния ионосферы длястанций Росгидромета в режиме квази-реального времени ........................ 1305.Заключение ....................................................................................... 1456.Список литературы .......................................................................... 1497.Приложение A. Описание форматов входных данных ................

1608.Приложение Б. Примеры входных данных ................................... 1794ВведениеНа сегодняшний день существует множество инструментов изученияионосферы. Но далеко не все они пригодны для глобального мониторинга еетекущегосостояния.Так,вчастности,физическиобоснованныетеоретические численные модели реализуются отдельно для случаеввозмущенной и не возмущенной ионосферы, и сами по себе не могутпретендовать на адекватность отражения текущей ситуации.

Эмпирическиемодели, представляющие собой статистическое усреднение большогоколичества экспериментальной информации, способны выдавать медианныезначения основных параметров ионосферы, наиболее характерных дляданного времени и географического положения. Необходимым условием длямониторинга состояния ионосферы является использование оперативнойэкспериментальной информации.Однаизэкспериментальнойперспективныхинформациивозможностейосостоянииполученияионосферытакойсвязанасиспользованием радиосигналов глобальных навигационных спутниковыхсистем. Навигационный сигнал содержит в себе информацию об интегральномколичестве электронов на пути его распространения. В последнее десятилетиеданные ГНСС (Глобальные навигационные спутниковые системы) сталитакже применяться для мониторинга и изучения ионосферных процессов[1,2,3,4,5].

Навигационные системы являются одним из мощных инструментовизучения глобальных и региональных ионосферных процессов, а такжевариаций характеристик ионосферы при различных условиях. Дистанционныеизмерения интегральной электронной концентрации позволяет осуществлятьне только мониторинг процессов ионосферы и анализ движения ионосферныхнеоднородностей, но и проводить оценки распространения радиоволн припрохождении через ионосферу Земли.5Технология определения концентрации по данным навигационныхстанций, базирующаяся на измерениях фазы и псевдодальности, являетсяизвестной и применяется уже более 10 лет.Для коррекции измеренной приемником псевдодальности и болееточного определения ионосферной составляющей ошибки необходимо знатьзадержку спутниковых часов (которая связана с релятивистскими эффектамии неточностями атомного осциллятора), дифференциальные задержки сигналаспутника и приемника (связанные с тем, что двухчастотный сигналраспространяется в электрической цепи с конечной скоростью, зависящей отнесущей частоты) и ошибку часов приемника [6].

Ошибки и задержки часоврегулярно транслируются и могут быть получены из RINEX-файлов (сокр.Receiver Independent Exchange Format). При распространении сигнала вприемо-передающей аппаратуре происходит задержка сигнала, величинакоторой зависит от частоты самого сигнала. Абсолютные значения задержеккаждой из частот для ассимиляции данных не представляют ценности, вотличие от их разницы, которая называется дифференциальной аппаратнойзадержкой.Дифференциальные аппаратные задержки (так же часто используетсяследующая альтернативная терминология: поправка, смещение и т.д.) DCB(Differential code biases) – один из наиболее важных источников ошибокданных наблюдений сетей ГНСС, генерируемый в цепи передатчика иприемника.

Определение DCB является необходимым условием привычислении полного электронного содержания (ПЭС) вдоль трассывизирования спутник-Земля, а также для решения задач коррекциинавигационного сигнала и других прикладных задач.Дифференциальныезадержкисигналаявляютсятехническойинформацией, без которой ни ассимиляция собранных данных, ниосуществление мониторинга состояния ионосферы не были бы возможны.Ошибка при определении дифференциальных задержек в 1 нс соответствуетошибке ПЭС в 2.853TECU (1TECU =1×1016 электронов/м2). В публикациях [7,68, 9, 10] было показано, что абсолютная величина DCB приемника по оценкамизмерений GPS и ГЛОНАСС может доходить до нескольких десятковнаносекунд.