1 ИСЗФ СО РАН: Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск (x, y, z)

2 1-го поколения (низкоорбитальные) СРНС – спутниковая радионавигационная система Высота орбит ИСЗ: 1000 км Число орбит: 4-7 Число ИСЗ: 4-7 Период обращения ИСЗ: мин Перерыв между сеансами: мин Число определяемых координат: 2 Точность определения координат: м "Цикада" (СССР), "Transit" (США) 2-го поколения (высокоорбитальные) (высокоорбитальные) Высота орбит ИСЗ: км Число орбит: 6 (GPS) Число ИСЗ: 24 Период обращения ИСЗ: 12 час Перерыв между сеансами: 0 мин Число определяемых координат: 3+t+V Точность определения координат: м в особом режиме: м "ГЛОНАСС" (СССР), "GPS" (США) Спутниковые Радионавигационные Системы

3 Спутники GPS Вес ИСЗ GPS: ~ 900 кг Размер ИСЗ GPS: ~ 5 м Аппаратура на борту ИСЗ GPS: атомные часы кодирующее устройство передатчик f 1 =1.6 ГГц (50 Вт) передатчик f 2 =1.2 ГГц (8 Вт) Проблема синхронизации часов ИСЗ: расхождение часов в 10 нс вызовет погрешность в определении координат до м f 1 = 1.6 ГГц ( 1 = 19 см) f 2 = 1.2 ГГц ( 2 = 25 см) Все о GPS: Принцип кодирования сигналов GPS: несущая частота кодированный сигнал Определение координат в системе GPS основано на точном измерении времени распространения сигнала от ИСЗ до приемника Типы кодов в GPS: C/A – код свободного доступа P – защищенный код Y – закрытый код Навигационное сообщение Кодирование позволяет регистрировать показания часов ИСЗ в приемнике GPS и передавать сведения о координатах ИСЗ код Pseudo Random Noise (PRN) PRN23

4 Типы приемников GPS: Приемники GPS Важнейшие характеристики приемника GPS: число одновременно наблюдаемых ИСЗ GPS (число каналов) число рабочих частот (одна или две) способ измерения (кодовый или фазовый) Способ измерения Точность определения координат Одночастотный Кодовый Фазовый м м Двухчастотный Кодовый Фазовый м 1-10 м Массовые модели приемников GPS – одночастотные, кодовые, канальные Популярные фирмы-производители GPS-приемников: Garmin (США), Trimble (США), Topcon (США-Япония), Sokkia (Япония), Novatel (Канада), Leica (Швейцария), Magellan (США-Франция) Цена приемника GPS:8 $ $ Приемник GPS производит обработку сигналов ИСЗ GPS и расчет координат

5 D – расстояние между приемником и ИСЗ GPS (дальность) x S, y S, z S – координаты ИСЗ GPS x, y, z – координаты приемника GPS Как определяют координаты в GPS? x S, y S, z S x S2, y S2, z S2 x S3, y S3, z S3 D z x y D2D2 D3D3 x, y, z Измерения дальности: а) по коду: D = c Δt где с – скорость света, Δt – время распространения сигнала между ИСЗ и приемником Δt – измеряется приемником GPS с помощью кода сигнала GPS б) по фазе: D Δ где – длина волны, Δ – набег фазы несущей частоты

6 Ионосфера – слой заряженных частиц на высотах км Ионосфера: вред и польза От состояния ионосферы зависят: телевидение, радиовещание, спутниковая связь, навигация, локация, полеты ИСЗ, погода на Земле

7 Характеристики ионосферы: Ne Ne днем > Ne ночью Ne – концентрация электронов Слой F ( км) Слой E (100 км) Слой D (60-70 км) Ne на экваторе > Ne на полюсе h Главный максимум ионизации (слой F): h max – высота максимума ионизации Ne max – концентрация электронов в максимуме ионизации Неоднородности Ne

8 Характеристики ионосферы: ПЭС Ne днем > Ne ночью I V днем > I V ночью Слой F ( км) Слой E (100 км) Слой D (60-70 км) Ne на экваторе > Ne на полюсе I V на экваторе > I V на полюсе h Неоднородности Ne Возмущения ПЭС Ne – число электронов в единице объема ПЭС – полное электронное содержание ПЭС можно измерять с помощью сигналов GPS Ne ПЭС Единица измерения ПЭС: 1 TECU = электронов/м 2 (Total Electron Content Unit) ПЭС – число электронов в столбе с единичным сечением Ионосферная точка "Вертикальное" ПЭС: I V = I·sinθ S – "наклонное" ПЭС

9 Как исследуют ионосферу? Ионозонд, 2008 г. Иркутский радар некогерентного рассеяния ионосфера Сети ионозондов и радаров некогерентного рассеяния Ионозонд, 1960 г. Определяют : Ne, Te, Ti, V Определяют : ПЭС Определяют: h max и Ne max Другие виды измерений: ракетные, оптические, космического шума, сигналы космических радиоисточников

10 Мировая сеть приемников GPS Количество: Радаров НР – 9 Ионозондов – 133 Станций GPS – 3000 Лучей "приемник-ИСЗ GPS" > 15000

11 Группа GPS-мониторинга, ИСЗФ СО РАН, 2001 г. Сайт Группы GPS-мониторинга: Руководитель группы д.ф.-м.н., профессор, Э.Л. Афраймович GPS в исследованиях ионосферы Регистрация ионосферных возмущений (солнечные вспышки и затмения, магнитные бури, землетрясения, ураганы, запуски ИСЗ и т.д.) Регистрация ионосферных возмущений (солнечные вспышки и затмения, магнитные бури, землетрясения, ураганы, запуски ИСЗ и т.д.) GPS- томография ионосферы Построение глобальных карт ПЭС

12 GPS-томография ионосферы Томографические сечения ионосферы, полученные на базе низкоорбитальных навигационных систем ("Цикада", "Transit") Трасса Москва-Шпицберген Трасса на Аляске широта Слайд из доклада: Andreeva E.S., Kunitsyn V.E., Nazarenko M.O., Padokhin A.M., Tereshchenko E.D. "The structure of disturbed ionosphere during periods of solar flares and magnetic storms", Томск, 2008 г. Исследовательская группа МГУ, руководитель д.ф.м.-н., профессор В.Е. Куницын

13 Полдень Глобальные карты ПЭС ПЭС – полное электронное содержание Полдень магнитный экватор

14 Сколько электронов в ионосфере ?

15 ГЭС – глобальное электронное содержание ОКП – околоземное космическое пространство ГЭС = полному числу электронов в околоземном космическом пространстве (ОКП) ГЭС электронов Динамика ГЭС в течение 23-го цикла солнечной активности Индексы солнечной активности: W, F10.7 и др. Индексы геомагнитной активности: Dst, Kp, Ap и др. Индекс состояния ОКП: ГЭС Применение ГЭС: - характеристика состояния ОКП и космической погоды - восстановление параметров солнечного излучения по данным ионосферных измерений - тестирование моделей ионосферы

16 Регистрация ионосферных возмущений Регистрация ионосферных возмущений

17 Сервер базы данных сети GPS ftp://sopac.ucsd.edu ПЭС – полное электронное содержание Программный комплекс GLOBDET Регистрация сбоев и анализ точности GPS- измерений Детектирование ионосферных возмущений и определение их характеристик Моделирование измерений ПЭС Архив данных Отображение результатов Программный комплекс GLOBDET для регистрации ионосферных возмущений Первичная обработка данных Расчет параметров движения ИВ Каналы связи (сеть Интернет) Каналы связи (сеть Интернет) Сети GPS- приемников ПК

18 Отклик ионосферы на магнитные бури Начало бури

19 Ионосферные эффекты Дневная сторона Ночная сторона Максимальная фаза затмения и солнечных затмений Иркутск Европа Африка Средняя Азия солнечных вспышек

20 Солнечный терминатор min max Запустить ролик LT – местное время UT – Гринвичское время СТ – солнечный терминатор CT LT dI, TECU

21 Поведение ПЭС во время землетрясения Отклик ионосферы на землетрясения Япония Приемники GPS Эпицентр землетрясения Землетрясение 29 сентября 2003 г. в Японии 1 TECU = электронов/м 2

22 Ионосферные эффекты при запусках ракет Поведение ПЭС во время запусков ракет 500 км h 100 км Запуски с космодромов: Байконур (Казахстан) KSC (США) Kodiak (США) Jiuquan (Китай) Запуски ракет: "Протон", "Союз", "Днепр", "Зенит", "Space Shuttle", "Athena", "Shenzhou" Геометрия измерений при запусках ракет "Союз" с космодрома Байконур

23 Сбои измерений GPS Плотность сбоев – количество сбоев, усредненное по всем станциям и спутникам GPS Сбой – отсутствие измерений на одной или двух рабочих частотах GPS Плотность фазовых сбоев GPS Отсутствие измерений на двух частотах GPS Интенсивность радиоизлучения Солнца Плотность сбоев Погрешность позиционирования Амплитуда колебаний ПЭС Магнитная буря

24 GPS открыла новую эру в дистанционной диагностике ионосферы. Создана возможность для организации глобального непрерывного контроля за состоянием ОКП с высоким пространственно-временным разрешением, а также для прогноза космической погоды.

25 Спасибо за внимание! ИСЗФ СО РАН: К новым открытиям! Группа GPS-мониторинга, 2008 г.