Диссертация (Ассимиляционная модель ионосферы на основе независимой оценки аппаратных дифференциальных задержек), страница 17

Расположение станций, определенное по средним значениям иСКО данных величин (в метрах).№ИдентификаШиротДолготВысоттора, града, града, м130СКО,СКО,СКО,ШиротДолготВысота, ма, ма, м1ARHA64,5840,5052,710,620,771,882BUGU54,8753,07192,190,581,081,713cao155,9337,52225,550,521,031,744EKAT56,8360,63313,250,441,262,245KAMC53,07158,61203,932,797,532,576KAND67,1732,3548,200,561,001,957KIRO58,5749,57178,500,571,091,558KURS51,7736,17272,680,580,991,659MAGA59,56150,8170,520,611,152,6510MURM68,9633,0658,470,660,902,3011NIKE69,4130,22113,400,591,001,9512NNOV56,2943,99209,371,341,523,3213113OREN51,6955,08113,500,610,991,6014PETE59,9330,2740,160,510,931,6915PSKO57,7928,3272,910,561,071,6816SAHA46,95142,7267,881,241,803,0017SARA51,7146,7433,810,601,011,7818SIKT61,6850,78141,900,641,242,2719TVER56,8635,91156,970,551,071,7720VOLO59,2439,90140,980,661,171,9021VORO51,6639,20177,390,520,971,61---0,751,412,04Средниезначения132Рис.

4.40. Широтно-долготный разброс определения приблизительногоположения ГНСС станции по спутниковым наблюдениям (MURM)133Рис. 4.41. Широтно-долготный разброс определения приблизительногоположения ГНСС станции по спутниковым наблюдениям (TVER)Необходимо отметить, что доступные на тот момент российские станции(приведенные в таблице 4.11) распределены по территории РФ неравномерно.В частности, большинство из них сконцентрировано в европейской частиРоссии и лишь несколько станций на Дальнем Востоке. Для отсечки углавизирования в 10-12 градусов (наиболее типовые значения) радиус влиянияможет достигать 1500-1850 км (см. пояснения к рис. 3.7) При отсутствииспутников с низким углом визирования данные для ассимиляции для этойобласти могут отсутствовать.

По этой причине коррекция электроннойконцентрации над территорией Сибири происходит в малой степени.134Расположение станций и регулярность передачи данных с них дляассимиляции приведены на рис. 4.42. Цветовая шкала демонстрирует, какчасто данные с этих станций могли быть использованы для ассимиляции.Рис. 4.42. Относительная частота ассимиляции данных со станцииРезультаты моделирования для одного отдельно взятого дня в динамикепредставлены на рис. 4.43.135136137Рис. 4.43. Скорректированные значения ПЭС над территорией РФ в период с00 по 23 UTC (19-03-2014)138Также благодаря экспериментальным данным были скорректированыданные о критической частоте слоя F2 и его высота hmF2.

Для сравнения нарис. 4.44 и 4.45 приведены примеры без использования экспериментальныхданных и скорректированные величины f0F2.Рис. 4.44. Пример значений критической частоты f0F2 без использованияэкспериментальных данных (16-03-2014 8 UTC)139Рис. 4.45. Пример скорректированных значений критической частоты f0F2(16-03-2014 8 UTC)Длявалидацииполученныхрезультатовмоделированиябылипроведены сравнения с данными ионозондов.

В качестве эталонных значенийиспользовались данные ионозондов, расположенных на территории России.Их местоположения представлены в табл. 4.12, и для наглядности отраженына рис. 4.46.Таблица 4.12. Координаты российских ионозондов предоставленных длясравнения критических частот.№ИдентификаторШирота, градДолгота, град1Москва55.8037.602Ростов47.1039.403Салехард66.5066.604Подкаменная Тунгуска61.6090.005Магадан59.60150.80140Рис. 4.46.

Расположение доступных для сравнения ионозондов надтерриторией РФСтанции «Москва» и «Ростов» расположены в европейской частиРоссии, и все используемые ГНСС приемники сосредоточены рядом с ними. Всвязи с этим предполагалось, что сравнение именно по этим станциям будетнаиболее точным. Необходимо отметить, что данные со станции «Ростов»передаются значительно реже других, и в рассматриваемый нами период нетранслировал значения критических частот вовсе. Данные с ионозонда«Магадан» имеют большое количество пропусков.

Кроме того, измеренияионозонда характеризуются малой вариативностью в течение суток, что такжевызывает сомнения о качестве предоставляемых данных.Ближайшим ГНСС приемником к ионозонду «Салехард» являетсястанция SIKT, расположенная в 940км от ионозонда. Так же несколькостанций принимали сигнал на расстоянии 1100-1200км от ионозонда«Салехард» (а именно, EKAT, KIRO, ARHA), что говорит о том, что с большой141вероятностью данные с этих станций регулярно корректировали расчетныезначения электронной концентрации над ионозондом «Салехард».Станция «Подкаменная Тунгуска» расположена примерно в 1700 км отближайшего ГНСС приемника. Такая отдаленность предполагает, что данныенад этим ионозондом с некоторой периодичностью корректировались, но всетаки гораздо реже станций европейского региона.Результаты сравнения полученных критических частот и измеренийионозондов (в том числе и для станций, работающих в неполном режиме)представлены на рис.

4.47. Кроме того, из расчетов были определены высотыслоя максимума электронной концентрации. На рис. 4.48 представлены ихвариации для каждой из рассматриваемых локаций. Ввиду того, что данные оhmF2 не были доступны с ионозондов, рис. 4.48 не содержит сравнения иможет лишь служить для оценки диапазона изменения высоты слоя F2 и егодинамики с течением времени.142Рис. 4.47. Модельные критические частоты слоя F2 в сравнении сизмерениями российских ионозондов.Рис. 4.48. Модельная высота слоя максимума F2.Присравнениирезультатовмодельныхрасчетовсданнымиэкспериментальных измерений станций, расположенных в азиатском регионеРоссии(ЗападнаяиВосточнаяСибирь),наблюдаетсяувеличениестатистической ошибки определения критической частоты по сравнению сданнымиизмеренийстанцийевропейскойчастиконтинента.Среднеквадратичное отклонение модельных расчетов f0F2 от измерений дляМосквы и Салехарда составило 0.99 и 0.89 МГц соответственно в среднем зарассматриваемый период.

В то время как для Подкаменной Тунгуски этотпоказатель оказался несколько выше - 1.38. Такое изменение можно объяснитьмалым количеством станций ГНСС, данные с которых можно было быассимилировать в модель для коррекции электронной концентрации в областиблизкой к станции «Подкаменная Тунгуска».143В целом, описанный ранее метод расчета дифференциальных поправокпозволяет использовать данные наблюдений со станций, не находящихся введомстве IGS. В первую очередь это дает неоспоримый плюс дляразворачивающейся сети российских станций ГНСС.

При сравнениирезультаты ассимиляционной модели с использованием дифференциальнойпоправки хорошо согласуются с независимыми наблюдениями ионозондов,демонстрируя суточные вариации параметра f0F2 близкие к реальным.Времявычисленийсистемыпозволяетполучатьнезависимыемодельные расчеты для региона РФ без большой задержки. И в случаепередачи данных наблюдений ГНСС по протоколу реального времени,восстановление состояния ионосферы может проводиться с запаздыванием отнескольких минут.

Такая возможность позволяет использовать модельныерезультаты в качестве начальных при составлении краткосрочного прогноза.1445. ЗаключениеВ диссертационной работе представлена модифицированная авторомассимиляционная модель ионосферы, которая позволяет осуществлять анализсостояния ионосферы на основе данных некалиброванных сетей приемниковглобальных навигационных спутниковых систем, отличающаяся регулярнойнезависимой оценкой DCB.

Рассчитываемые DCB с высокой степеньюточности (СКО ~ 0.2 нс, на примере европейского региона) соотносятся срезультатами расчетов, публикуемыми международной службой IGS.Вследствие этого, независимый расчет трехмерных полей электроннойконцентрации на некалиброванной сети осуществляется с той же точностью,что и расчет полей, на калиброванных сетях, с использованием другихвариантов ассимиляционной модели, созданной в ЦАО при непосредственномучастии автора. На точность определения DCB повлиял обоснованныйавтором выбор аппроксимации глобального и регионального широтнодолготного распределения ПЭС. Показано, что оптимальным с точки зренияточности и скорости оценки является разложение до 4-го порядкааппроксимациипосферическимгармоникамдлярегиональногораспределения ПЭС (на примере европейского региона) и до 16 порядка дляаппроксимации глобального распределения ПЭС.

Для выполнения целиработы была достигнута оперативность получения дифференциальныхаппаратных задержек в несколько минут. Что при использовании данныхГНСС реального времени позволяет получать информацию о состоянииионосферы с небольшой задержкой.Результатом работы стал экспериментальный образец аппаратнопрограммного комплекса, позволяющего оперативно и эффективно проводитьоценку дифференциальных аппаратных задержек космического и наземногосегмента систем ГЛОНАСС/GPS с целью применения в оперативноммониторинге состояния ионосферы.145В работе продемонстрирована возможность оценки дифференциальныхаппаратных задержек ГНСС.

Приведены имеющиеся на сегодняшний деньметоды и подходы по определению DCB и обоснование выбора оптимальногометодадлярешенияглобальнойирегиональнойзадачи.Показанразработанный и реализованный численный метод оценки дифференциальныхаппаратных задержек космического и наземного сегмента.На основе подготовленных выборок данных спутниковых наблюдений сназемных отечественных и зарубежных приемников было показано, что такойалгоритмпозволяетдифференциальнойбыстропоправкиПродемонстрированыидляэффективнокаждогорезультаты проверкинаходитьспутникаизначенияприемника.работоспособностиметодарасчета DCB для большого количества станций единовременно в режимеприближенному к реальному времени.

Определен масштаб характерныхскоростейвременнойизменчивостидифференциальныхаппаратныхзадержек.Проведенысравненияполученныхзначенийа)DCB:спредоставленными DCB аналитическим центром; б) с имеющимисяаналогами. Сравнение результатов проведенных расчетов показываетпревосходствометоданадсуществующимианалогамиихорошуюсогласованность с результатами пост-обработки аналитических центров.Проведены испытания передачи данных реального времени, оцененаполнота и оперативность получения данных. Продемонстрировано, что, несмотря на отсутствие возможности использования точных положенийспутниковврежимевычисленияDCBвквази-реальномвремени,среднеквадратичная ошибка данного параметра в большинстве случаев непревышает 1 нс, что является приемлемым как в задачах восстановлениясостояния ионосферы, так и в задачах позиционирования. Таким образом,DCB,полученныеврежимеквази-реальноговременимогутбытьиспользованы для корректировки модельных расчетов экспериментальнымиданными.146Так же в диссертации представлены испытания восстановлениясостояния ионосферы по данным российских ГНСС станций с применениемполученных значений DCB.

Показано, что метод расчета дифференциальныхпоправок позволяет использовать данные наблюдений со станций, ненаходящихся в ведомстве IGS. В первую очередь это дает неоспоримый плюсдля разворачивающейся сети российских станций ГНСС. При сравнениирезультаты ассимиляционной модели с использованием дифференциальнойпоправки хорошо согласуются с независимыми наблюдениями ионозондов,демонстрируя суточные вариации параметра f0F2 близкие к реальным.ВремявычисленийпрограммногокомплексаэкспериментальногооперативногорасчетаобразецDCBаппаратнодлясистемГЛОНАСС/GPS позволяет получать расчеты ассимиляционной моделиионосферы для региона РФ с задержкой, примерно, в 10 минут. Такаявозможность позволяет использовать модельные результаты в качественачального состояния ионосферы при составлении краткосрочного прогноза.Полученная технология мониторинга состояния ионосферы можетиспользоваться для данных, полученных от станций, не состоящих в сети IGS.А поскольку такие станции присутствуют и преобладают на территории РФ,то проделанная работа, без сомнения, поможет развитию в России методовдистанционного мониторинга ионосферы.

Представленный в работе подходпозволяетсоздатьуникальнуюнезависимуюсистемуопределениядифференциальных задержек, которая способна базироваться на данныхроссийской системы навигации ГЛОНАСС без привлечения GPS.Кроме того, метод определения DCB может быть использован приопределении DCB приемников космического базирования, в частности, наспутниках миссий COSMIC, CHAMP, GRACE, SAC-C, Metop-A и TerraSARX. Вычисление аппаратных задержек для данных спутников позволит создатьассимиляционную схему с большим количеством источников и большимколичеством информации, повысив как качество реанализа, так и качествоопределения текущего состояния ионосферы.147По результатам проведенной в рамках диссертации работы былиполучены следующие результаты:1. Разработан численный метод для оценки дифференциальныхаппаратных задержек космического и наземного сегмента.2.