Автореферат (1102263)
Текст из файла
На правах рукописиТитов Антон АлександровичАССИМИЛЯЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ИОНОСФЕРЫ НА ОСНОВЕНЕЗАВИСИМОЙ ОЦЕНКИ АППАРАТНЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХЗАДЕРЖЕКСпециальность 25.00.29 – «Физика атмосферы и гидросферы»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква - 20151Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении«Центральная Аэрологическая Обсерватория», г. ДолгопрудныйНаучный руководитель:Хаттатов Вячеслав Усеинович,заведующий отделом исследования состава атмосферы ФГБУ ЦАО,кандидат физико-математических наукОфициальные оппоненты:Смирнов Владимир Михайлович,заведующий лабораторией дистанционного зондирования и распространениярадиоволн ФИРЭ им.
В.А. Котельникова РАН,доктор физико-математических наукЯсюкевич Юрий Владимирович,старший научный сотрудник Федерального государственного бюджетногоучреждения науки Института солнечно-земной физики СО РАН,кандидат физико-математических наукВедущая организация:ФГБУ «Институт земного магнетизма,ионосферы и распространения радиоволним. Н.В.
Пушкова» РАНЗащита состоится «__» _____ 2015 г. в «_____» часов на заседанииДиссертационного Совета Д 501.001.63 при Московском государственномуниверситете имени М.В. Ломоносова по адресу 119991, ГСП-1, Москва,Ленинские горы, дом 1, строение 2, МГУ имени М.В. Ломоносова, физическийфакультет, аудитория СФА.С диссертацией можно ознакомиться в Научной(Ломоносовский просп., д.27) и на майте www.phys.msu.ruбиблиотекеМГУАвтореферат разослан «__» ______ 2015 годаУчёный секретарь Диссертационного советакандидат физико-математических наук, доцент2В.Б. СмирновОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования.
На сегодняшний день существуетмножество инструментов изучения ионосферы. Но далеко не все они пригодныдля глобального мониторинга ее текущего состояния. Так, в частности,физически обоснованные теоретические численные модели реализуютсяотдельно для случаев возмущенной и не возмущенной ионосферы, и сами посебе не могут претендовать на адекватность отражения текущей ситуации.Эмпирические модели, представляющие собой статистическое усреднениебольшого количества экспериментальной информации, способны выдаватьмедианные значения основных параметров ионосферы, наиболее характерныхдля данного времени и географического положения. Необходимым условиемдля мониторинга 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) стали такжеприменяться для мониторинга и изучения ионосферных процессов. Технологияопределения концентрации по данным навигационных станций, базирующаясяна измерениях фазы и псевдодальности, является известной и применяется ужеболее 10 лет.Для коррекции измеренной приемником псевдодальности и более точногоопределения ионосферной составляющей ошибки необходимо знать задержкуспутниковых часов (которая связана с релятивистскими эффектами инеточностями 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.
Ошибки и задержки часов3регулярно транслируются и могут быть получены из RINEX-файлов (сокр.Receiver Independent Exchange Format). При распространении сигнала в приемопередающей аппаратуре происходит задержка сигнала, величина которойзависит от частоты самого сигнала. Абсолютные значения задержек каждой изчастот для ассимиляции данных не представляют ценности, в отличие от ихразницы, которая называется дифференциальной аппаратной задержкой.Дифференциальные аппаратные задержки (так же часто используетсяследующая альтернативная терминология: поправка, смещение и т.д.) DCB(Differential code biases) – один из наиболее важных источников ошибок данныхнаблюдений сетей ГНСС, генерируемые в цепи передатчика и приемника.Определение DCB является необходимым условием при вычислении полногоэлектронного содержания (ПЭС) вдоль трассы визирования спутник-Земля, атакже для решения задач коррекции навигационного сигнала и другихприкладных задач.Дифференциальныеинформацией,беззадержкикоторойнисигналаассимиляцияявляютсятехническойсобранныхданных,ниосуществление мониторинга состояния ионосферы не были бы возможны.Ошибка при определении дифференциальных задержек в 1 нс соответствуетошибке ПЭС примерно в 2.9 TECU (1TECU =1×1016 электронов/м2).
При этомабсолютная величина DCB приемника по оценкам измерений GPS и ГЛОНАССможет доходить до нескольких десятков наносекунд. Таким образом, для задачвосстановлениясостоянияионосферыотсутствиеилинекорректноеопределение значений DCB может привести к ошибкам определения ПЭС вдесятки единиц TECU, т.е. к ошибкам по порядку совпадающим с суточнымивариациями ПЭС. Для навигационных задач ошибка позиционирования приэтом будет составлять десятки метров.АналитическийцентрМеждународнойслужбыГНССIGS(сокр.International GNSS Service) регулярно осуществляет оценку DCB дляGPS/ГЛОНАСС спутников и приемников сети IGS так же, как и другуюнеобходимую вспомогательную информацию.4Однако использование такой информации накладывает ряд ограничений.
Вчастности: Данные передаются исключительно для станций, состоящих в сетиIGS, и никаким образом не могут быть использованы для станций, невходящих в состав этой сети; Максимальнаясоставляетдискретизацияоднисутки,данныхчтонеаналитическихпозволяетцентровотслеживатьвнутрисуточную вариативность; Данные службы IGS ограничиваются системами GPS и ГЛОНАСС, ине могут быть применены при необходимости использования другихГНСС; Служба IGS предоставляет данные с задержкой более суток отреального времени.
Возможность получения DCB в реальном иликвази-реальном времени отсутствует.И еще одним немаловажным фактором является зависимость от данныхзарубежного центра IGS и Интернет-соединения, что не всегда являетсяудобным и надежным методом.В связи с этим возникла необходимость разработки и реализациинезависимого метода расчета дифференциальных задержек для новых и ужеимеющихся станций, в первую очередь, развернутых Росгидрометом натерритории России.Цель работы заключается в разработке и реализации метода оценкидифференциальных аппаратных задержек космического и наземного сегментаглобальных навигационных спутниковых систем и создание на этой основетехнологии мониторинга состояния ионосферы в режиме квази-реальноговремени с помощью трехмерной ассимиляционной модели.Задачи исследования:1.
Сделать обзор имеющихся на данный день методов и алгоритмовопределения дифференциальных аппаратных задержек ГНСС.52. Подобрать оптимальный метод для решения глобальной и региональнойзадачи оценки дифференциальной аппаратной задержки.3. Подготовить выборки данных спутниковых наблюдений с наземныхотечественных и зарубежных приемников.4.
Разработатьиреализоватьчисленныйметоддляоценкидифференциальных аппаратных задержек космического и наземногосегмента.5. Адаптировать разработанный численный метод для работы в режимеприближенному к реальному времени с большим количеством данных.6. Провести валидацию разработанного метода.7. Провестианализвременнойизменчивостидифференциальныхаппаратных задержек.8. Провести испытания приема данных в режиме реального времени,оценить полноту и оперативность. Оценить возможность примененияэтих данных для расчета DCB.9. Провести испытания технологии мониторинга состояния ионосферы наосноветрехмернойассимиляционноймоделисприменениемполученных значений DCB.Научная новизна работы заключается в следующем:1. Разработанчисленныйметоддляоценкидифференциальныхаппаратных задержек космического и наземного сегмента.2.
Полученаточностьнезависимогорасчетадифференциальныхаппаратных задержек для наземного сегмента GPS в 0.2 нс (на примереевропейского региона).3. Проведеныоценкирегиональногопорядкааппроксимацииширотно-долготногоглобальногораспределенияПЭСипосферическим гармоникам.4. Приведенаоценкаивеличинадисперсииширотно-долготногораспределения высоты центра масс электронов в вертикальном столбе.65.
Получены оценки дифференциальных аппаратных задержек по даннымГНСС реального времени.6. Проведены расчеты трехмерных полей концентраций заряженныхчастиц в ионосфере с учетом оценки дифференциальных аппаратныхзадержек ГНСС станций некалиброванных сетей приемников.Теоретическая и практическая значимость работы. Непосредственнымпрактическим значением полученных результатов является использованиедифференциальных аппаратных задержек в задачах мониторинга параметровионосферы и задачах коррекции навигационного сигнала. В частности, такойподход позволяет создать уникальную независимую систему определениядифференциальных задержек, базирующуюся на данных системы ГЛОНАСС(без использования GPS).
Кроме того, дифференциальные аппаратные задержкимогут быть получены для тех станций, для которых подобного рода данные непредоставляются ни одним аналитическим центром. Практическая и научнаяценность данной работы состоит также в реализации протокола NTRIP (сокр.Networked Transport of RTCM via Internet Protocol), используемого при передачеданных, с целью получения DCB без существенных временных задержек. Такаятехнология усвоения данных в ассимиляционной модели применена впервые ипозволяет осуществлять мониторинг изменений состояния ионосферы близкийк реальному времени.Положения, выносимые на защиту:1.
Модификацияассимиляционноймоделиионосферы,котораяпозволяет осуществлять анализ состояния ионосферы на основеданныхнекалиброванныхсетейприемниковглобальныхнавигационных спутниковых систем, отличающаяся регулярнойнезависимой оценкой DCB.2. Оценки порядков аппроксимации глобального и региональногоширотно-долготногораспределенияПЭСпосферическимгармоникам. Показано, что оптимальным с точки зрения точности искоростиоценкиявляется7разложениедо4-гопорядкааппроксимации для регионального распределения ПЭС (на примереевропейского региона) и до 16 порядка для аппроксимацииглобального распределения ПЭС.3. Рассчитываемые DCB с высокой степенью точности (СКО ~ 0.2 нс,на примере европейского региона) соотносятся с результатамирасчетов, публикуемыми международной службой IGS.
Вследствиеэтого,независимыйрасчеттрехмерныхполейэлектроннойконцентрации на некалиброванной сети осуществляется с той жеточностью, что и расчет полей, на калиброванных сетях, сиспользованиемдругихвариантовассимиляционноймодели,созданной в ЦАО.4. Достигнутаоперативностьполучениядифференциальныхаппаратных задержек в несколько минут. Что при использованииданных ГНСС реального времени позволяет получать информацию осостоянии ионосферы с небольшой задержкой.Степеньдостоверностидостоверностиполученныхиапробациярезультатоврезультатов.подтверждаетсяСтепеньрезультатамивалидации и статистикой сравнения расчетов разработанной системы снезависимыми экспериментальными данными, а также разработками другихавторов.Основныеположенияирезультатыдиссертационнойработыдокладывались автором на следующих научных конференциях: «Базы данных,инструментыиинформационныеосновыполярныхгеофизическихисследований», Троицк, Россия, 2011; II Всероссийская научная конференция«Проблемы военно-прикладной геофизики и контроля состояния природнойсреды»,Санкт-Петербург,Россия,2012;научно-техническийсеминар«Направления совершенствования математических моделей геофизическихфакторов при баллистическом обеспечении вооружения РВСН и войск ВКО»,Юбилейный, Россия, 2012; международная конференция «European NavigationConference», Вена, Австрия, 2013; Всероссийская конференция «Современные8проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», Москва, Россия,2013;XXIVрадиоволн»,ВсероссийскаяИркутск,научнаяРоссия,конференция2014;XXXX«РаспространениеНаучнаяассамблеяМеждународного комитета по исследованию космического пространстваCOSPAR, Москва, 2014; ESWW (11th European weather week), Льеж, Брюссель,2014; Международный военно-технический форум «АРМИЯ-2015», Кубинка,2015.Публикации.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
