Информация об ионосфере Земли

Ионосфера

Ионосфера — ионизированная часть верхних слоев атмосферы Земли, расположенная на высотах примерно от 50 до 1000 км. Характеризуется значительным содержанием свободных электронов и ионов.

Факторы, наиболее влияющие на процессы в ионосфере:

• ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца,
• космические лучи, проходящие сквозь атмосферу Земли,
• геомагнитное поле Земли.

Ионизация происходит главным образом из-за активности Солнца, поэтому существует сильная зависимость свойств ионосферы от положения и времени:

• в зависимости от долготы, широты и высоты над поверхностью Земли,
• в течение суток,
• в зависимости от времени года,
• в зависимости от фазы цикла солнечной активности.

Состояние ионосферы описывается несколькими параметрами: электронным содержанием в ионосфере, ионным составом, ионной и электронной температурами, скоростью движения частиц и др. При этом с практической точки зрения для ГНСС ключевым параметром является электронное содержание в ионосфере, поскольку именно оно непосредственно влияет на распространение радиоволн и вносит ионосферную задержку в измерения псевдодальности.

В зависимости от высоты и распределения электронного содержания ионосферу условно разделяют на слои: D (ниже 90 км), E (от 90 до 130 км), F1 (от 130 до 200 км) и F2 (выше 200 км). Максимальная концентрация электронов и ионов расположена в слое F2 на высотах от 250 до 450 км.

Рис. 1. Влияние ионосферы на радиоволны

Влияние ионосферы на распространение радиоволн и сигналов ГНСС

Ионосфера существенно воздействует на распространение радиоволн, в частности, на сигналы ГНСС. Основное влияние на распространение радиоволн оказывают частота волны и свободные электроны в ионосфере, за счет которых ионосфера становится диспергирующей (дисперсионной) средой для радиоволн, в ней скорость распространения зависит от длины волны. По этой причине происходит задержка распространения и преломление траектории радиоволн в ионосфере, а для определенных длин волн даже отражение в ионосфере.

В таблице перечислены способы взаимодействия с ионосферой радиоволн в зависимости от длины волны:

Взаимодействие с ионосферой радиоволн

Сигналы ГНСС относятся к диапазону ультракоротких волн, они распространяются в пределах прямой видимости. Зафиксированы редкие случаи потери сигнала ГНСС в наземных приемниках в моменты ионосферного шторма в экваториальных широтах.

Также можно упомянуть еще один исключительный пример потери сигналов ГНСС приемником, установленным на спускаемом аппарате, который входит в атмосферу Земли на высокой скорости, вокруг него за счет ударной волны образуется видимое плазменное покрывало (ионизированный газ), который блокирует радиосигналы и лишает аппарат радиосвязи в течение нескольких минут.

Такие примеры являются редким исключением, а как правило, ионосферная задержка входит в состав измерений псевдодальности ГНСС в виде поправки, которая прямопропорциона электронному содержанию вдоль всего пути сигнала и обратнопропорциональна квадрату частоты сигнала в первом приближении.

С точки зрения влияния ионосферы на точность местоопределения различают два типа навигационных приемников: одночастотные и двухчастотные (мультичастотные в общем случае). При использовании двухчастотных приемников, относящихся в основном к оборудованию геодезического класса, существует возможность исключить влияние ионосферной задержки с помощью использования так называемой безионосферной комбинации измерений псевдодальности на первой и второй частотах. Однако для одночастотных приемников, которые составляют основу массового сегмента рынка, проблема влияния ионосферы остается открытой, для них ионосферные задержки вносят ошибку в местоопределение от нескольких единиц до десятков метров. Для решения данной проблемы необходимо построение моделей полного электронного содержания в ионосфере (ПЭС, англ. TEC – Total Electron Content). Именно для этого в составе навигационных кадров ГНСС и функциональных дополнений присутствуют параметры модели ионосферы.

Модели ионосферы

Существующие модели ионосферы в контексте использования в ГНСС можно условно разделить на две группы:

1. комплексные физические модели ионосферы;
2. однослойные (и трехслойные) модели полного электронного содержания в ионосфере.

Наиболее детальными и качественными моделями ионосферы являются комплексные физические модели ионосферы первой условной группы, построенные на основе физических законов магнитной гидродинамики и кинетических уравнений.

Такие модели описывают физические процессы в ионосфере, оценивают множество показателей и их пространственное распределение. Помимо измерений ГНСС, источниками данных для физических моделей ионосферы являются данные глобальной сети ионозондов, мощных радаров некогерентного рассеяния, спутниковых зондов, точечных измерений с различных КА.

Однако для определения ионосферных задержек навигационных сигналов должна быть известна лишь величина полного электронного содержания вдоль распространения сигнала, другие физические параметры ионосферы не нужны.

Поэтому фактически для ГНСС используются однослойные модели ионосферы второй условной группы: локальные, региональные и глобальные карты полного электронного содержания в ионосфере (англ. GIM – Global Ionosphere Maps) , а также упрощенные модели ионосферы в кадрах ГНСС и функциональных дополнений.

Верно и обратное, источником данных для построения карт полного электронного содержания в ионосфере являются измерения распределенной сети беззапросных измерительных станций (БИС) ГНСС.

Однослойные модели ионосферы построены на предположении, что все свободные электроны ионосферы расположены в бесконечно тонком слое на некоторой высоте над поверхностью Земли. Высота слоя выбирается от 350 до 450 км.

Таким образом, ионосферная задержка в навигационном сигнале зависит только от частоты, угла места и величины вертикального полного электронного содержания (англ. VTEC – Vertical Total Electron Content) в точке прокола сигналом модельного слоя ионосферы (англ. IPP – Ionosphere Pierse Point).

ПЭС (англ. ТЕС) определяется как общее количество электронов вдоль трубки сечением один квадратный метр и выражается в специальных единицах ПЭС (TEC unit) : 1 TECu = 10¹⁶ электронов/м² ≈ 0.16 м для навигационного сигнала L1.

Рис. 2. Однослойная модель ионосферы

Локальные и глобальные карты полного электронного содержания в ионосфере

В ИАЦ КВНО, как и в других центрах международной службы анализа IGS, на ежедневной основе строятся локальные и глобальные карты полного электронного содержания в ионосфере по открытым общедоступным измерениям глобально распределенной сети беззапросных измерительных станций ГНСС. Одновременно с параметрами ионосферных карт уточняются дифференциальные кодовые задержки (ДКЗ) беззапросных измерительных станций и космических аппаратов.

Для уточнения параметров локальной карты ионосферы достаточно измерений одной БИС на суточном интервале, карта рассчитывается для области радиусом примерно 500…750 км вокруг используемой станции. Этот способ используется в основном для калибровки БИС и КА (вычисления ДКЗ) в качестве промежуточного шага вычислений.

Построение глобальных карт TEC ионосферы с помощью измерений ГНСС востребовано в области космической погоды и дистанционного зондирования Земли.

Основой для построения глобальных карт ионосферы служит мировая общедоступная сеть ГНСС-станций, развернутая международной службой анализа IGS, функционирующая с 1994 года.

В ИАЦ КВНО для уточнения параметров глобальных ионосферных карт TEC ежесуточно используются открытые измерения около 300 станций данной сети.

В качестве модели пространственного распределения VTEC используется разложение в виде сферических функций (13 различных наборов коэффициентов сферических гармоник на суточном интервале). Для хранения и передачи карт ионосферы используется стандарт IONEX, который представляет собой массив значений вертикальных ПЭС (VTEC) в ед. TECu, как правило, с пространственным разрешением 2.5° по широте, 5° по долготе и с разрешением по времени 1 ч или 2 ч. Итого 5 183*25 или 5 183*13 значений VTEC для 1-часовых или 2-часовых суточных файлов IONEX соответственно.

Упрощенные модели в составе навигационных кадров ГНСС

Как сказано выше, для улучшения точности местоопределения одночастотных потребителей в навигацонных кадрах ГНСС и функциональных дополнений присутствуют упрощенные ионосферные модели:

• в кадре GPS ионосферная модель Клобучара K8: 8 параметров в сутки;
• в кадре GALILEO глобальная трехмерная ионосферная модель NeQuick: 3 параметра в сутки;
• в кадре BeiDou-2 региональная ионосферная модифицированная модель Клобучара BDS_K8: 8 параметров каждые 2 часа;
• в кадре BeiDou-3 глобальная ионосферная модель BDGIM (разложение по сферическим гармоникам) : 9 параметров каждые 2 часа;
• в кадре ГЛОНАСС-К глобальная адаптивная модель ионосферы: 3 параметра в сутки.

• Система контроля и подтверждения характеристик ГНСС
• FTP-архив
• Нормативно-правовые документы в области спутниковой навигации
• Пилотные проекты