автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Исследование погрешностей позиционирования по сигналам спутниковых радионавигационных систем при различных уровнях возмущенности околоземного космического пространства

На правах рукописи УДК 621.396.96

Кондакова Татьяна Николаевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ПО СИГНАЛАМ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ ВОЗМУЩЕННОСТИ ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства радионавигации, радиолокации и телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

КРАСНОЯРСК-2004

Диссертация выполнена в Иркутском военном авиационном инженерном ордена Красной Звезды институте

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Демьянов Владислав Владимирович

Научный консультант: доктор физико-математических наук

профессор Афраймович Эдуард Леонтьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

профессор Миронов Валерий Леонидович

кандидат технических наук доцент Сушкин Игорь Николаевич

Ведущая организация: Иркутский государственный университет

Защита состоится 9 декабря 2004 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.098.02 при Красноярском государственном техническом университете по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. Киренского, 26, ауд. Б-121. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ.

Автореферат разослан 6 ноября 2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.098.02 кандидат технических наук, доцент

Ю.П. Саломатов

200М W

¿ore/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

По мере развития прогресса наша цивилизация все более и более полагается на спутниковые системы связи, навигации и локации, качество функционирования которых в определенной степени зависит от состояния околоземного космического пространства (ОКП). Для более эффективного решения проблем уязвимости таких систем, ряд правительственных ведомств США разработали программу, названную Национальной Программой Космическая Погода [1]. Аналогичная программа разрабатывается и в России.

Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) - американская GPS [2] и российская ГЛОНАСС [3, 4] стали в настоящее время мощным фактором мирового научно-технического прогресса и продолжают все активнее использоваться в различных сферах человеческой деятельности: науке, экономике, технике. Они в состоянии обеспечить глобальность, точность, непрерывность и высокую достоверность определения координат (позиционирования) при решении широкого круга научно-технических и прикладных задач.

Развитие старых и появление новых направлений использования современных СРНС выдвигает новые, все более жесткие требования, как к точности позиционирования, так и к показателям надежности навигационного обеспечения. Эти требования вытекают из необходимости обеспечения безопасности и экономичности движения наземных и воздушных объектов, а также решения некоторых специальных задач (наблюдение, аэрофотосъемка, поиск и спасение терпящих бедствие транспортных средств и людей и др.).

Качество функционирования СРНС, использующих канал распространения радиоволн «Космос-Земля», существенно ограничено влиянием среды ОКП. При этом основной вклад приходится на системные ионосферные эффекты распространения радиоволн: групповое и фазовое запаздывание, доплеров-ское смещение частоты. Степень проявления указанных эффектов во многих случаях слабо зависит от локального распределения электронной концентрации, но прямо связана с величиной полного электронного содержания (ПЭС) вдоль траектории распространения радиосигнала.

В условиях невозмущенного ОКП основной вклад в формирование любого из перечисленных ионосферных эффектов вносит регулярная составляющая ПЭС. Ее величина испытывает закономерные вариации (сезонно-суточные, широтные и долготные) и может прогнозироваться с удовлетворительной точностью. Сложнее оказывается ситуация в условиях геомагнитных возмущений ОКП. При этом существенно проявляется нерегулярная составляющая ПЭС и возникают пропорциональные флуктуации группового (фазового) запаздывания, которые могут вызывать появление дополнительных погрешностей позиционирования. Кроме этого, активизируется процесс генерации мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации, рассеяние на которых вызывает флуктуации амплитуды и фазы сигналов навигационных спутников (НС) в

1|>0С НАЦИОНАЛЬНАЯ j БИБЛИОТЕКА ]

точке приема [5]. В наихудших случаях возможен срыв сопровождения сигнала одного или нескольких НС навигационного созвездия по фазе (коду) на одной из рабочих частот СРНС и, как следствие, сбой в определении координат.

Флуктуации, или мерцания фазы и амплитуды, наблюдаемые на разных частотах, были хорошо исследованы в экваториальных и авроральных областях [6, 7, 8, 9]. Средние широты в этом отношении считались исключительно спокойными. Утверждалось, что на средних широтах отсутствуют условия, приводящие к возникновению мелкомасштабных неоднородностей (большие градиенты электронной концентрации, скорости дрейфа, сильные электрические поля). Только в последние 3-4 года появился ряд работ по исследованию фазовых и амплитудных мерцаний сигналов GPS на средних широтах [10,11,12,14].

В некоторых исследованиях указывается, что в условиях магнитных бурь срывы сопровождения сигнала НС по фазе и коду на второй (вспомогательной) частоте f2 GPS наблюдаются значительно чаще, чем на первой [8, 9,11,13,14]. Поэтому непрерывность и точность позиционирования в двухчастотном режиме работы пользователя GPS в условиях геомагнитных возмущений ОКП может оказаться неприемлемой при решении некоторых важных задач. В последнее время активно ведутся работы по исследованию фазовых флуктуации и сбоев фазовых и кодовых дальномерных измерений СРНС в условиях геомагнитных возмущений [10,11]. Однако с точки зрения потребителя СРНС значительно больший интерес представляют исследования, посвященные влиянию геомагнитных возмущений на качество функционирования СРНС, как системы определения местоположения.

В связи с этим, предметом данной диссертации являются точность и непрерывность позиционирования приемников спутниковых радионавигационных систем во время геомагнитных возмущений.

Цель настоящей работы заключается в разработке методики тестирования и прогнозирования точности позиционирования приемников спутниковых радионавигационных систем в различных геофизических условиях на основе обработки данных глобальной сети двухчастотных приемников GPS [15].

Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработка методики и программно-алгоритмического обеспечения для обработки данных и анализа точности и непрерывности позиционирования приемников СРНС.

2. Создание базы данных ошибок и сбоев позиционирования приемников GPS за период 2000-2003 г.г.

3. Исследование зависимости точности и непрерывности определения координат приемников СРНС в одно- и двухчастотном режимах от уровня геомагнитного возмущения и географического местоположения.

4. Физическая интерпретация полученных результатов по точности и непрерывности позиционирования приемников СРНС.

5. Выработка практических рекомендаций пользователям СРНС в условиях геомагнитных возмущений околоземного космического пространства.

Научная новизна исследования

1. Впервые с использованием разработанного в диссертации метода и программного комплекса на основе обработки данных глобальной сети двух-частотных приемников GPS показано, что в условиях геомагнитных возмущений ошибка позиционирования СРНС на средних широтах возрастает в 2...6 раз по сравнению с магнитоспокойными периодами.

2. Впервые показано, что ухудшение точности позиционирования СРНС во время магнитных бурь наиболее выражено во время резких и глубоких изменений напряженности магнитного поля Земли, а география сбоев позиционирования зависит от пространственно-временных характеристик аврорального овала и распределения градиентов полного электронного содержания.

3. Впервые получены качественные и количественные оценки погрешностей позиционирования по сигналам СРНС для различных типов приемников, геомагнитных условий и географического местоположения.

Достоверность результатов

Достоверность результатов, представленных в диссертации, обусловлена обширной статистикой наблюдений и качественным согласием полученных результатов с результатами независимых исследований, опубликованными ранее другими авторами и с известными положениями теории.

Практическая ценность работы

Полученные результаты и разработанные в диссертации методики могут быть использованы для разработки алгоритма прогнозирования ожидаемой точности и непрерывности измерений СРНС в период предсказанного геомагнитного возмущения. Результаты работы могут быть полезны разработчикам бортовых радиоэлектронных комплексов, как рекомендации по выбору типа навигационных приемников в условиях эксплуатации в высокоширотных регионах или при геомагнитных возмущениях.

Личный вклад автора

Основные результаты работы являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Автору принадлежат:

1. Создание и обработка базы данных глобальной сети приемников GPS для серии магнитных бурь и магнитоспокойных дней за период 2000-2003 г.г.

2. Обработка и анализ данных эксперимента по изучению пространственно-временных характеристик точности и непрерывности позиционирования различных приемников GPS в различных геофизических и географических условиях.

Автор принимал непосредственное участие в:

1. разработке методики и программно-алгоритмического обеспечения для обработки данных и анализа точности и непрерывности позиционирования приемников СРНС;

2. изучении связи динамики авроральной активности и областей с повышенными абсолютными значениями и градиентами ПЭС с погрешностью позиционирования в системе GPS.

3. получении статистических характеристик погрешности позиционирования с целью прогноза ожидаемого ухудшения точности определения координат.

Апробация работы

Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на IX международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2003; V Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники», Красноярск, 2003; Всероссийской научно-практической конференции «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов», Красноярск, 2003; Всероссийской научно-технической конференции «Решетневские чтения», Красноярск, 2003; международном симпозиуме COSPAR-2004, Париж, 2004; «Байкальской школе по фундаментальной физике - 2004», Иркутск, 2004, а также на научных семинарах ИВАИИ, ИСЗФ СО РАН, ИГУ.

На защиту выносятся:

1. Методика и программно-алгоритмическое обеспечение, позволяющие эффективно проводить анализ качества функционирования аппаратуры пользователя СРНС по данным глобальной сети двухчастотных приемников GPS.

2. Результаты экспериментальной оценки точности и непрерывности позиционирования СРНС за 14 суток периода 2000-2003 г.г., для 86 станций глобальной сети приемников GPS в условиях спокойного и возмущенного геомагнитного поля, на низких, средних и высоких широтах в западном и восточном полушариях.

3. Результаты статистического анализа точности позиционирования приемников СРНС, позволяющие выполнять прогноз точности позиционирования на период предсказанного геомагнитного возмущения.

4. Практические рекомендации пользователям СРНС и разработчикам бортовых радиоэлектронных комплексов, позволяющие спрогнозировать ожидаемую точность позиционирования в условиях геомагнитного возмущения.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников, содержащего 110 ссылок. Общий объем диссертации - 221 страница, включая 19 таблиц, 61 рисунок и 4 приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, отражена актуальность ее темы, сформулированы цели диссертации и решаемые задачи, приведено краткое содержание диссертации.

В первой главе приведены общие сведения о современных навигационных системах GPS, ГЛОНАСС. Дано описание состава навигационных систем GPS, ГЛОНАСС, структуры навигационных радиосигналов, принципа работы СРНС GPS и ГЛОНАСС, методов определения координат приемника по значениям псевдодальности, восстановленным по кодовым и фазовым измерениям.

Дан обзор немногочисленных работ, в которых изучается влияние степени возмущения ионосферы на точность и непрерывность позиционирования приемников GPS. Этих работ явно недостаточно, чтобы дать наглядную качественную и количественную оценку влияния геомагнитных возмущений на эффективность функционирования системы GPS, как системы определения местоположения.

Во-первых, большинство работ посвящены исследованию авроральной и экваториальной областей, средние широты отражены лишь в единичных случаях [9,10, 13]. Во-вторых, в существующих работах влияние геомагнитных возмущений на эффективность работы GPS оценивается в терминах сбоев фазовых и кодовых измерений [7, 8], фазовых и амплитудных мерцаний [11, 12, 13] и срывов сопровождения сигнала спутников [5,11,12]. Все эти параметры только опосредованно указывают на снижение точности позиционирования вследствие повышения уровня геомагнитной активности. Ни в одной из работ не приведены непосредственно текущие экспериментальные оценки погрешности позиционирования как функции времени, вариаций напряженности магнитного поля Земли, индексов магнитной возмущенности Кр и Dst для конкретного типа приемников СРНС. Отсутствует статистика пространственно-временного распределения ошибки позиционирования, необходимая для построения ее широтной зависимости.

Не производилось одновременного тестирования в идентичных условиях основных типов навигационных приемников с целью сравнения их точностных характеристик в магнитоспокойных и магнитовозмущенных условиях.

Вторая глава посвящена описанию разработанной в диссертации методики обработки данных глобальной сети двухчастотных приемников GPS и используемых при выполнении диссертационной работы дополнительных источников геофизической информации.

Значения геомагнитных индексов Dst и Кр, характеризующих состояние околоземного космического пространства, получены по электронному адресу http://www.wdc.rl.ac.uk/cgi-bin/wdccl/secure/wdcdata. Для определения положения и динамики аврорального овала использовались данные Space Enviromental Monitor (SEM), полученные с помощью низкоорбитальных (высота орбиты 850 км) спутников NOAA POES (Polar-Orbiting Operational Environmental Satellite) с полярной орбитой (наклонение 98°). Эти спутники постоянно измеряют потоки

электронов и протонов, высыпающихся в атмосферу. Методика SEM, используя значения мощности потока за одиночный пролет спутника над полярной областью (что занимает около 25 мин) и базу данных за более чем 100000 пролетов, позволяет оценить интегральную энергию, выделенную в северном полушарии и построить положение аврорального овала для данного пролета спутника. Данные спутников NOAA-15, 16, 17 по авроральному овалу получены по адресу Интернет http://sec.noaa.gov/pmap/pmapN.html.

Для эксперимента использовались данные глобальной сети приемников GPS с 30-с разрешением в стандартном формате RINEX [15], представленные на сайтах Интернет http://sopac.ucsd.edu/cgi-bin/dbDataByDate.cgi. и http://lox.ucsd.edu/cgi-bin/allCoords.cgi. Сервер SOP АС содержит данные круглосуточных и непрерывных измерений более чем за семь лет. Сеть приемников GPS непрерывно расширяется и содержит уже более 2500 зарегистрированный станций. Полученная таким образом база данных представляет собой уникальный материал для исследований, в том числе и для испытаний приемников GPS одновременно в любых интересующих нас точках земного шара, где есть стационарные станции GPS. При этом не требуется затрат на создание исследовательских полигонов, приобретение аппаратуры и проведение самих испытаний.

Для выполнения поставленных задач в диссертации был разработан программный пакет НАВИГАТОР, созданный на основе существующей стандартной программы обработки RINEX-файлов TEQC (Translate Edit Quality Check), представленной разработчиками на сайте Интернет:

http://tonga.unavco.ucar.edU/software/teqc/Microsoft/2000/Borland/5.0. Программный продукт TEQC реализован с применением псевдодальномерного метода определения координат [3, 4], позволяющего в каждый момент времени восстановить не менее четырех параметров пользователя: трех координат и поправки на отклонение шкалы времени навигационного приемника от системного времени GPS. Для этого используются псевдодальномерные измерения по НС СРНС в количестве N > 4 и решается система уравнений вида:

где - псевдодальность, измеренная по - координаты i-

го НС в прямоугольной геоцентрической системе координат (ГЦСК); Xa,y0,z0-координаты пользователя в прямоугольной ГЦСК; ARq - дальномерная погрешность, вызванная расхождением шкал времени приемника и системным временем GPS [3,4].

В результате первого этапа обработки для каждой станции GPS вычислялись суточные ряды прямоугольных геоцентрических координат

временным шагом 3.6 минуты и соответствующие абсолютные погрешности координатных определений:

A*, =x, -*0; Ay, = y, ->y, Az, = z, -z0,

(2)

где х0,у0,гд - известные координаты ОР8-станции, ;'- номер временного отсчета.

Целью дальнейшей обработки была оценка точности и непрерывности позиционирования.

В качестве характеристики точности позиционирования использовалась сферическая среднеквадратическая погрешность а (СКП) определения координат.

Рассчитывались как текущая СКП ), м

где - СКП определения соответствующей координаты в пря-

моутольной геоцентрической системе координат [3], так и ее среднесуточное значение <7 , м. Текущие значения <т(',) рассчитывались для каждого 15-минутного интервала на протяжении всего суточного ряда наблюдений.

Для анализа непрерывности позиционирования было введено понятие сбоя определения координат. Под сбоем подразумевалось событие, заключающееся в невыполнении условия:

Значение порога неприемлемой погрешности определения координат установлено эмпирически на основании литературных источников

[2, 3,4 и др.], исходя из того, что при решении подавляющего числа практических задач требуется лучшая точность координатных определений.

В качестве характеристики интенсивности сбоев позиционирования рассчитывались текущая плотность сбоев N|t2, равная количеству сбоев позиционирования на каждом получасовом интервале, и суммарная суточная плотность сбоев Ns для каждой анализируемой приемной станции GPS.

В третьей главе представлены результаты исследования точности и непрерывности позиционирования приемников GPS в различных геофизических и географических условиях. Проанализированы 14 дней периода 2000-2003 гг., из которых пять магнитоспокойных и 9 магнитовозмущенных дней, соответствующих пяти магнитным бурям. Погрешности позиционирования рассчитывались для 86 станций GPS, расположенных в трех широтных регионах: низкоширотном, среднеширотном и высокоширотном. В среднеширотном регионе были выделены четыре сектора: центрально - европейский, Восточно-

<г(0 = (т»2 + сг y,2+(rn2fS.

(3)

<7(7, )Sco = 500 м

(4)

Сибирский, северо-восточный и юго-западный (штат Калифорния) США. В каждом из секторов были определены наборы станций GPS, оборудованные четырьмя основными типами приемников GPS: ASHTECH, ROGUE, AOA и TRIMBLE.

В разделах 3.2 и 3.3 оценивалась погрешность позиционирования для 5 магаитоспокойных дней и 5 магнитных бурь периода 2000-2003 г.г. с максимальным значением индекса геомагнитной возмущенности Dstmax от -101 до -358 нТ.

На рис. 1 и рис. 2 представлены графики погрешностей и сбоев позиционирования в магнитоспокойный день 17 июля 2001 г. с максимальным значением индекса геомагнитной возмущенности Dstmax= -30 нТ, полученных на ряде станций GPS, расположенных в западном (справа) и восточном полушариях (слева). Приемник ASHTECH представлен станциями YAKZ, ULAZв восточном полушарии и KEW1 - в западном полушарии, приемник АОА - станциями KSTU и ALGO, приемник ROGUE - станциями IRKT и NLIB соответственно, приемник TRIMBLE - станцией DYER в западном секторе.

Из анализа представленных графиков можно сделать вывод, что в магни-тоспокойных условиях текущие погрешности позиционирования разли-

чались несущественно на всех станциях. Среднее значение погрешности в пределах 30 м. Наблюдаются отдельные всплески погрешности позиционирования до 100...200 м. Сбои позиционирования в этот день на всех рассмотренных станциях либо отсутствовали, либо не превышали четырех на получасовом интервале. Распределение текущей плотности сбоев позиционирования N1,2 на временной оси носит спорадический характер.

Картина резко изменилась во время мощной магнитной бури 29-31 октября 2003 г., которой предшествовали сильные солнечные вспышки, обозначенные на верхней панели рис. 3,4,5,6 звездочками.

Рис.1 Погрешности позиционирования на станциях GPS в западном и восточном полушариях в магнитоспокойных условиях.

Рис.2 Сбои позиционирования на станциях GPS в западном и восточном полушариях в маг-нитоспокойных условиях.

На панелях а) рис. 3, 4, 5, 6 представлена временная зависимость Н-компоненты магнитного поля по данным магнитовариационных станций Ottawa (45.40° N; 284.45° Е) и Иркутск (52.22° N; 104.31° Е); на панелях б) рис. 3,4,5,6 показаны вариации индекса геомагнитной возмущенности Dst. Эта буря сопровождалась возрастанием Кр индекса до высшего значения 9 и индекса Dst - до -347 нТ. На рис. 3, 4 представлены значения c(tj) текущей погрешности позиционирования, а на рис. 5, 6 - текущей плотности сбоев позиционирования N12 на тех же станциях GPS, что и в магнитоспокойный день (рис.1,2).

В западном полушарии наблюдалось возрастание погрешности позиционирования для всех типов приемников в интервалы времени, когда происходили резкие изменения напряженности магнитного поля. Максимальная погрешность tx(/() достигала значений 200...220 м для приемников ASHTECH и ROGUE. Наименьшая погрешность ст^ ), не более 100 м, наблюдалась для приемников АОА и TRIMBLE. Между тем, заявленная точность <j(f,) координатных определений для СРНС GPS не хуже 20...30 м [3,4,16]. Это уже не отдельные кратковременные всплески погрешности позиционирования, какие

Рис.3 Погрешности позиционирования GPS в западном полушарии во время большой магнитной бури 29-31 октября 2003 г.

Рис.4 Погрешности позиционирования GPS в восточном полушарии во время большой магнитной бури 29-31 октября 2003 г.

наблюдались в магнигоспокойный день (рис. 1), а периоды продолжительностью от 2 до 6 часов. Среднесуточные значения С увеличились в сравнении с магнитоспокойным днем в 1.5-2 раза, достигнув 54...75 м.

На станциях GPS восточного полушария погрешность позиционирования значительно превышала 30 м практически все наблюдаемое время. Среднесуточное значение СГ увеличилось по сравнению с магнитоспокойным днем в 3.8 раза на пункте KSTU (АОА), в 4.3 раза на пункте YAKT (ASHTECH), в 4.4 на пункте IRK.T (ROGUE) и составило соответственно 150, 107 и 160 м. Возможно, отличие двух анализируемых секторов обусловлено особенностями развития ионосферного отклика магнитных бурь вследствие смещения магнитного полюса относительно географического и различного местного времени.

Аналогичные результаты получены в других рассмотренных секторах. Во время главной фазы магнитной бури ошибки позиционирования в GPS существенно увеличились не только на северо-востоке США (40°-48° N), но и на достаточно низких широтах в Калифорнии (30°-35° N; 240°-255° Е). Однако погрешность позиционирования на станциях в Калифорнии оказалась ниже, чем для приемников тех же типов, расположенных на широтах 40°-48° N. Максимальные значения ошибки на калифорнийских станциях достигали уровня 150... 180 м для приемников ASHTECH и ROGUE, а наименьшая погрешность, не более 70 м, наблюдалась для приемников TRIMBLE.

В п.п. 3.4 и 3.5 оценивалась непрерывность позиционирования приемников GPS в магнитоспокойных и магаитовозмущенных условиях.

Из временных зависимостей N^2 текущей плотности сбоев позиционирования (рис. 5, 6) можно заключить, что по сравнению с магнитоспокойным днем (рис. 2) значение максимальной текущей плотности сбоев Njj существенно возросло, достигнув 10 сбоев за получасовой интервал. Суточное количество сбоев также увеличилось до 75 (NLIB, 29.10.2003).

Изменился и характер распределения сбоев на временной оси: сбои распределены не спорадически, а локализованы в интервалы времени, соответствующие резким изменениям напряженности магнитного поля Земли. Аналогичные результаты получены для других секторов и других магнитных бурь.

В разделе 3.7 исследовалась широтная зависимость погрешности позиционирования для магнитоспокойных и магнитовозмущенных условий отдельно по каждому типу приемника в диапазоне широт 0°-80° N. На рис. 7 представлены графики широтной зависимости среднесуточной погрешности позиционирования для приемников А8ЫТЕСЫ - на панелях а, в), для приемников АОА -на панелях б), г). Графики слева построены по данным трех дней магнитной бури 29-31 октября 2003 г., справа - по данным двух магнитоспокойных дней 12 июля 2000 г. и 17 апреля 2001г. Видно, что в условиях геомагнитной возму-

Рис.7. Широтные зависимости погрешности позиционирования в маг-нитовозмущенных и магнитоспокой-ных условиях в западном полушарии

щенности у приемников всех типов погрешность позиционирования увеличивается с ростом широты.

Во время геомагнитных возмущений при одних и тех же географических условиях ошибка определения координат приемников АОА оказалась в среднем в 1.5 раза меньше, чем у ASHTECH и ROGUE. Результаты относятся к западному полушарию. Аналогичные результаты получены еще для четырех магнитных бурь периода 2000-2001 г. г.

Раздел 3.8 посвящен исследованию широтной зависимости сбоев позиционирования. На рис. 8 приведены широтные зависимости Ns двухчастотного режима во время магнитной бури 29-31 октября 2003 г. для всех анализируемых станций для четырех типов приемников GPS (ASHTECH, ROGUE, TRIMBLE, АОА). Наибольшее количество сбоев во всех широтных регионах отмечено у приемников ROGUE (до 54 за сутки) и ASHTECH (42), у TRIMBLE - до 38. Меньше всего сбоев наблюдалось у приемников АОА, не более 5 за сутки, даже на самых высокоширотных из всех анализируемых станциях (NYAL, NYA1, 78.9° N). В одночастотном режиме указанные закономерности сохранились, но сбоев позиционирования в 2...4 раза меньше, чем в двухчастотном режиме определения координат.

Интересным представлялось сравнение результатов, полученных по данным одновременных наблюдений в западном и восточном полушариях для одного и того же типа приемника. На рис. 9 показаны широтные зависимости погрешности (рис. 9 а, б) и сбоев позиционирования (рис. 9 в, г) в магни-тоспокойных условиях (слева) и во время магнитной бури 29-31 октября 2003 г. (справа) в Восточной Сибири для приемников ASHTECH. Как видно из графиков, погрешность позиционирования <y{tj) и количество сбоев Ns увеличиваются с ростом широты, что наблюдалось и в западном полушарии.

Рис.8 Широтная зависимость сбоев позиционирования в магнитвозму-щенных условиях в западном полушарии.

Шарпа, N

Шыротя, [S

По сравнению с магаитоспокойными условиями среднесуточная погрешность позиционирования увеличилась в 3.5...4 раза, достигнув 120...140 м.

Сравнение эффекта развития магнитной бури в Восточно-Сибирском и СевероАмериканском секторах на примере станций, оборудованных приемниками ASHTECH (рис. 9 а, в, рис. 7 а, рис. 8 а) дало следующие результаты. На станциях восточного полушария (рис. 9 в) суточное количество сбоев Ns лежит в пределах 0...11, в западном - в пределах 0...42 сбоев за сутки. Среднесуточная погрешность позиционирования принимала значения 90... 150 м в восточном и 60... 130 м в западном полушарии.

Из рис. 7, 8, 9 можно заключить, что во время геомагнитных возмущений снижается точность позиционирования на средних широтах у всех типов приемников. Но наиболее чувствительны к изменению геомагнитной обстановки приемники типа ASHTECH и ROGUE. У этого типа приемников наблюдаются наибольший рост ошибки и сбоев позиционирования в моменты наиболее резких и глубоких изменений напряженности магнитного поля Земли. У приемников АОА и TRIMBLE в условиях возмущений плотность сбоев оказалась меньше в 2... 10 раз.

В разделе 3.9 на основе полученных результатов проведена статистическая оценка точности позиционирования для каждого типа приемника в различных географических и геофизических условиях Данные измерений

сортировались по критерию превышения заданного порога погрешности (Tq=30,

60, 90, 120, 150 м и

Рис. 9 Широтные зависимости погрешности и сбоев позиционирования в магнитоспокойный день и во время магнитной бури 29-31 октября 2003 г. в восточном полушарии.

ASHTECH; 20'-60,N

Рис.10. Распределения плотности вероятности погрешности позиционирования

длительности интервала ДТ=0.25, 0.5, 0.75 ч и т. д., в течение которого ошибка превышала заданный порог

Из рис. 10, на котором приведены распределения относительных частот появления погрешности позициониро-

20-60-M ASHTECH Мягмгговвгмушенные условия

* 4 ч б

LL

о зо оо « 1» iso ш на

30 00 К 120 1М !Ю 2«

ЛТ„» ч

вания для приемника ASHTECH среднеширотного региона, можно сделать вывод, что и в магнитоспокойных и возмущенных условиях наиболее вероятная погрешность лежит в пределах до 30 м. Следовательно, навигационная система отвечает заявленной точности, но при геомагнитных возмущениях вероятность превышения погрешности 30 м в два раза больше.

На рис.11 показаны максимальные наблюдаемые интервалы времени, в течение которых погрешность приемника ASHTECH превышала заданный порог сг0 =30, 60, 90, 120, 150, 180 м. На средних широтах во время геомагнитных возмущений максимальные интервалы для указанных порогов увеличились соответственно в 2.3; 1.8; 3; 2.5; 3; 2; 2 раза. На высоких широтах аналогичное увеличение составило: 1.4; 1.3; 2; 1.3; 3; 2; 2 раза.

На рис. 12 представлены распределения относительной величины равной части от общего времени наблюдений, в течение которого погрешность превышала заданный порог. Например, у приемника ASHTECH ошибка превышала порог 30 м в 16.7% от общего времени наблюдений в магнитовозмущенных и в 6% в магнитоспокойных условиях (это составляет соответственно, 4.8 ч и 1.4 ч за сутки).

Мяпщтоспетйиые услввня в 4 ДТ„ ч

0 30 <0 И 1301И

0 30 00 00 120 1» 1Ю НО

Рис.11. Распределения ДТпж максимальных интервалов времени, в течение которых погрешность позиционирования превышала заданный порогсг .

Рис. 12. Распределения Р(ДТ) относительных периодов времени (как части полного времени наблюдения), когда погрешность позиционирования превышала заданный порог

На основе распределения относительных частот сг(/() с помощью функции распределения Вейбулла были получены теоретические распределения

плотности вероятности погрешности с(//) (рис. 10), для которых были определены математическое ожидание, дисперсия, доверительные интервалы. На средних широтах в магаитовозмущенных условиях математическое ожидание погрешности в 2.2 раза больше, чем в магнитоспокойных, а дисперсия - в

1.6 раза. На высоких широтах соответствующая разница этих величин составила 1.5 и 1.3 раза. Таким образом, на средних широтах изменение геомагнитной обстановки приводит к более значительному росту погрешности позиционирования, чем на высоких широтах.

Вопрос о причинах и конкретных механизмах этого влияния оставался в значительной степени открытым. Литературные данные [6, 7, 9, 12,13, 17] свидетельствуют в пользу предположения, что к деградации сигналов GPS приводит рассеяние на ионосферных неоднородностях с размерами порядка радиуса первой зоны Френеля [6] (для GPS это 150...250 м).

В четвертом разделе дается физическая интерпретация полученных в разделе 3 результатов, исследуются физические механизмы сбоев функционирования GPS на средних широтах во время геомагнитных возмущений.

На примере геомагнитных возмущений 15-16 июля 2000 г., 25-26 сентября 2001 г. и 29-31 октября 2003 г. была исследована взаимосвязь погрешности позиционирования с интенсивностью вариаций ПЭС и амплитудой сигналов GPS, относительной плотностью фазовых сбоев, пространственно-временными характеристиками авроральной активности и градиентами электронной концентрации.

На результатах анализа ионосферных эффектов четырех магнитных бурь 2000-2003 г.г. показывается, что на главной фазе магнитных бурь при расширении аврорального овала на средние широты, на его южной границе возникает область с интенсивными мелкомасштабными неоднородностями электронной концентрации. Такие неоднородности вызывают сильные мерцания сигналов GPS, что приводит к срыву сопровождения сигналов и увеличению погрешности позиционирования.

На рис. 13 представлена геометрия эксперимента на территории Рис.13. Геометрия эксперимента на территории Северной Северной Америки во Америки во время магнитной бури 15 июля 2000 г.

время большой магнитной бури 15-16 июля 2000 г. Для более наглядной интерпретации использовались данные радара некогерентного рассеяния (HP) в Millstone Hill (США), его положение обозначено ромбом. Прямоугольниками показано местоположение GPS станций, для которых определялась погрешность позиционирования, жирными точками - станций GPS, производящих измерение амплитуды сигналов GPS; треугольниками - положение подионосфер-ных точек для высоты 300 км с указанием момента времени, когда по данному НС наблюдалось максимальное число пропусков данных измеряемых параметров на соответствующей станции GPS; пунктирными и сплошной линиями показано положение южной границы аврорального овала для различных моментов времени.

По мере расширения аврорального овала в сторону экватора на станциях GPS, оказавшихся в области или на границе аврорального овала, наблюдалось возрастание погрешности позиционирования до ПО м (рис. 14 в, г), пропуски данных, флуктуации амплитуды сигналов.

Наличие мощных сигналов обратного рассеяния, зарегистрированных в это время радаром HP, подтверждают наличие мелкомасштабных неоднородно-стей электронной концентрации в Е-области ионосферы. Заштрихованный эллипс на рис. 13, обозначенный к северу от радара HP, соответствует горизонтальной проекции диагностируемой области, которая, как видно, совпала с южной границей аврорального овала. По данным радара HP в это время наблюдались высокие скорости дрейфа электронов до 1000... 1500 м/с, а на станции GPS в Millstone Hill зафиксирована потеря связи со всеми видимыми НС GPS [14]. Высокие значения скорости дрейфа свидетельствуют о наличии условий, необходимых для генерации неоднородностей электронной концентрации.

На рис. 14 представлены некоторые средне-широтные ионосферные эффекты во время магнитной бури 15-16 июля 2000 г. На панели е) дана зависимость плотности P(t) сбоев фазовых измерений, полученная в [18] для всех НС и типов приемников (число траекторий n=4296). На панели д) приведена зависимость СКО вариаций ПЭС A(t) для диапазона периодов 2... 10 мин (тонкая кривая) и для диапазона периодов 20...60 мин (жирная кривая) [18]. Такие периоды вариаций ПЭС соответствуют среднемасштабным ионосферным не-однородностям с размерами от 12 до 300 км соответственно. На панелях в), г) приведены полученные в диссертации значения погрешности позиционирования для станций STB1 и STL4. Можно сделать вывод о высокой положительной корреляции роста погрешности позиционирования плотности сбоев и интенсивности вариаций ПЭС с уровнем геомагнитной возмущённсти,

Рис. 14. Среднеширотные ионосферные эффекты во время магнитной бури 15-16 июля 2000 г.

который характеризуется вариациями индекса Dst (панель а) и динамикой южной границы аврорального овала (панель б).

Известно, что спектр ионосферных неоднородностей в большинстве случаев имеет степенной вид, так что справедливо утверждение, что во время возмущений пропорционально возрастает амплитуда неоднородностей всего диапазона масштабов - от километровых до метровых. При расширении аврораль-ного овала на средние широты расширяется и область с развитой среднемас-штабной структурой полного электронного содержания, следовательно, одновременно увеличивается интенсивность мелкомасштабных неоднородностей, вызывающих рассеяние сигналов GPS.

Результаты обработки данных для мощной магнитной бури 29-31 октября 2003 г., представленные в разделе 3, показали значительное возрастание погрешности позиционирования на станциях GPS центрально-европейского, Восточно-Сибирского, северо-восточного и юго-западного (штат Калифорния) среднеширотных секторов в периоды времени, соответствующие резким изменениям напряженности магнитного поля. Для всех секторов, кроме последнего, это явление можно объяснить расширением южной границы аврорального овала, положение которой для моментов времени 01:52UT 30.10.03 и 19:53UT 29.10.03 показано на рис.15 ломаными линиями. Проявление данного эффекта в Калифорнии (30°-35° N) не связано непосредственно с авроральным овалом, поскольку расстояние от станций GPS данного сектора до южной границы овала превышало 2000 км (рис.15).

В то же время в рассматриваемой области на интервалах времени с резкими вариациями магнитного поля и заметным ростом погрешности позиционирования наблюдались высокие абсолютные значения ПЭС (до 200 TECU; 1ТЕС1Ы016 М"2) и, что еще важнее, большие градиенты абсолютного "вертикального" значения ПЭС !о. На карту рис. 15 наложено распределение абсолютного вертикального значения ПЭС I0, построенное по данным лаборатории JPLG в формате IONEX [19] для момента времени 21:00 UT за 29 октября 2003 г. На изолиниях отмечены значения ПЭС, TECU. Считается, что большие градиенты ПЭС создают подходящие условия для возникновения интенсивных мелкомасштабных неоднородностей,

111 134 111 140 141 14i 14* 1)1 »1 111 Ml 1(4 1П lie m 7H 17» 111 111 111 It! IN 1ГТ К Дмгт,С

Рис.15. Геометрия эксперимента на территории Северной Америки во время магнитной бури 29-31 октября 2003 г. На изолиниях ПЭС отмечены абсолютные вертикальные значения ПЭС 10 для момента времени 21:00 ЦТ, 29.10.2003 г.

вызывающих рассеяние сигналов GPS.

Если известны физические причины и механизм воздействия ионосферы на точность позиционирования навигационных приемников, получены сравнительные оценки погрешности позиционирования в спокойных и возмущенных условиях, то возможен и прогноз погрешности позиционирования на предсказанное геомагнитное возмущение.

Предсказанием геомагнитных возмущений занимается созданная в США в 1994 г. национальная программа «Космическая погода» [1]. С помощью специального наземного и космического оборудования и установок служба «Космическая погода» осуществляет постоянный мониторинг за изменениями на Солнце, в магнитосфере, ионосфере и термосфере, которые могут повлиять на работу и надежность космических и наземных радиотехнических систем и представляют угрозу жизни и здоровью людей. Данные о состоянии ионосферы предоставляются всем заинтересованным службам. Подобная программа готовится и в нашей стране.

В разделе 4.5 на примере показано, как, взяв за основу данные мониторинга околоземного космического пространства [1] и полученные в диссертационной работе статистические характеристики точности позиционирования приемников GPS, можно составить прогноз ожидаемых ошибок позиционирования СРНС на период главной фазы предсказанного геомагнитного возмущения. В настоящее время вспышку на Солнце предсказывают за сутки, по направлению и скорости солнечного ветра рассчитывают время начала магнитной бури за час до ее наступления на Земле [1]. По данным измерений высыпающихся в ионосферу потоков заряженных частиц определяется положение южной границы аврорального овала для различных моментов времени.

Располагая данными о времени начала магнитной бури и используя полученные в п. 3.8 статистические оценки, можно составить прогноз: где, ксида и

насколько ухудшится точность позиционирования GPS. В авроральных широтах ошибка позиционирования возрастет в 2...6 раз практически одновременно с началом магнитной бури (SSC). На средних широтах увеличение погрешности в 2... 6 раз следует ожидать через 2... 3 часа после SSC (рис.16).

Период повышенных значений погрешности позиционирования приемников GPS, соответствующий главной фазе магнитной бури и сопровождающийся резкими

Рис. 16. Прогнозирование увеличения погрешности позиционирования СРНС

изменениям напряженности магнитного поля Земли, продлится до 8 ч на высоких и до 4.. .5 ч на средних широтах.

На основе анализа проведенных исследований и статистических характеристик даются рекомендации пользователю СРНС по выбору приемников в зависимости от условий эксплуатации.

Анализ статистических характеристик показал, что в период геомагнитных возмущений лучшую точность позиционирования обеспечивают приемники АОА. Закономерной для приемников этого типа является меньшая, по сравнению с другими, общая продолжительность периода времени, когда погрешность позиционирования превышает значения, соответствующие спокойной геомагнитной обстановке, меньше вероятность сбоев позиционирования. Наиболее чувствительны к изменению геомагнитной обстановки приемники ROGUE и ASHTECH.

Основные результаты работы

В заключении сформулированы основные результаты диссертации:

1. Разработаны методика и программно-алгоритмическое обеспечение для анализа качества функционирования аппаратуры пользователя СРНС по данным глобальной сети двухчастотных приемников GPS с помощью которых создана база данных оценок точности и непрерывности позиционирования СРНС за 14 суток периода 2000-2003 г.г., для 86 станций глобальной сети приемников GPS, в условиях спокойного и возмущенного геомагнитного поля, на низких, средних и высоких широтах в западном и восточном полушариях.

2. Впервые показано, что на средних широтах во время резких изменений напряженности магнитного поля погрешность позиционирования для всех типов приемников возрастает в 2...6 раз, достигая максимальных значений 150...300 м, в то время как заявленная точность координатных определений составляет 20...30 м.

3. Во время геомагнитных возмущений возрастает плотность сбоев позиционирования для всех типов приемников. Сбои локализованы в интервалы времени, соответствующие резким изменениям напряженности магнитного поля. Наибольшее количество сбоев наблюдается у приемников ASHTECH и ROGUE.

4. Построена широтная зависимость погрешности и сбоев позиционирования СРНС, которая показала, что во время больших магнитных бурь среднесуточная погрешность позиционирования возрастает от 20...60 м на широте 20°N до 70... 150 м на широтах больше 60°. Суточное количество сбоев позиционирования принимает значения от нуля на широтах 30°-35°N, достигая максимума (до нескольких десятков сбоев за сутки) на высоких широтах.

5. Проведено статистическое оценивание точности позиционирования приемников GPS, с помощью которого установлено, что в условиях геомагнитного возмущения лучшую точность позиционирования обеспечивают приемники АОА и TRIMBLE. По сравнению с приемниками ASHTECH и ROGUE, для

них меньше вероятность больших значений погрешности позиционирования и меньше длительность временного интервала, в течение которого эта погрешность наблюдается.

6. Показано, что сбои позиционирования приемников GPS вызваны уменьшением отношения сигнал/шум, обусловленным рассеянием сигналов GPS на интенсивных мелкомасштабных ионосферных неоднородностях электронной концентрации, возникающих на границе аврорального овала и в областях с резким градиентом полного электронного содержания.

7. Разработана методика прогнозирования точности позиционирования навигационных приемников в условиях геомагнитных возмущений, основанная на статистических оценках ошибки позиционирования и мониторинге состояния околоземного космического пространства. Данная методика позволяет определить, где, на какой стадии магнитной бури, насколько и в течение какого периода следует ожидать увеличение погрешности позиционирования. В авро-ральных широтах погрешность позиционирования возрастает в 2... 6 раз в течение часа после начала магнитной бури (SSC), на средних широтах снижение точности позиционирования в 2...6 раз следует ожидать через 2...3 часа после SSC. Продолжительность периода пониженной точности позиционирования GPS на главной фазе магнитной бури достигает 8 ч на высоких и 4...5 ч на средних широтах.

Список публикаций автора по теме диссертации

1. Демьянов В.В., Афраймович Э.Л., Кондакова Т.Н.. Ухудшение качества функционирования навигационной системы GPS в условиях геомагнитной возмущенности // Солнечно-земная физика. - 2002.- вып. 3.- С. 86-94.

2. Afraimovich E.L., Demyanov V.V., Kondakova T.N.. Degradation of GPS performance in geomagnetically disturbed conditions. LANL e-print archive. 2002. http://xxx.lanl.gov/abs/phvsics/0211015.

3. Afraimovich E.L., Demyanov V.V., Kondakova T.N. Degradation of performance of the navigation GPS system in geomagnetically disturbed conditions // GPS Solutions.- 2003.- V.7.- N 2.- P. 109-119.

4. Афраймович Э.Л., Демьянов В.В., Кондакова Т.Н. Исследование качества функционирования двухчастотных навигационных приемников GPS во время геомагнитных бурь // Труды IX международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь". - Воронеж, 2003.- С. 1691-1699.

5. Афраймович Э. Л., Демьянов В. В., Кондакова Т. Н. Качество функционирования спутниковой радионавигационной системы GPS в двухчастотном режиме в период геомагнитных возмущений. Труды V Всероссийской НТК «Современные проблемы радиоэлектроники».- Красноярск, 2003.- С. 108-113.

6. Афраймович Э.Л., Астафьева Э.И., Демьянов В.В., Кондакова Т.Н., Ле-сюта О.С. Сбои функционирования GPS на средних широтах во время магнитных бурь, обусловленные интенсивными амплитудными мерцаниями сигналов GPS // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Дости-

жения науки и техники - развитию сибирских регионов».- Красноярск, 2003.-С.115.

7. Афраймович Э.Л., Демьянов В.В., Кондакова Т.Н.. Динамика авро-рального овала и точность позиционирования системы GPS в ВосточноСибирском регионе во время магнитных бурь // Материалы VII всероссийской научной конференции «Решетневские чтения». - Красноярск, 2003. - С. 82-83.

8. Афраймович Э.Л., Демьянов В.В., Кондакова Т.Н.. Исследование качества функционирования двухчастотных GPS приемников во время геомагнитных бурь // Электронный журнал "Исследовано в России", 016/040123, с.164-173,2004.http://zhumal.ape.ielarn.ru/articles/2004/016.pdf.

9. Афраймович Э.Л., Астафьева Э.И., Бернгардт О.И., Демьянов В.В., Кондакова Т.Н., Лесюта О.С., Шпынев Б.Г.. Среднеширотные амплитудные мерцания сигналов GPS и сбои функционирования GPS на границе аврорально-го овала // Изв. Вузов. Радиофизика. - 2004.- Т. XLVII, №7.- С. 509-526.

10. Афраймович Э.Л., Астафьева Э.И., Демьянов В.В., Кондакова Т.Н. Точность и непрерывность позиционирования GPS во время магнитной бури 30.10.03 г. по данным GPS-сети в Калифорнии. Труды международной Байкальской молодежной научной школы по фундаментальной физике "Взаимодействие полей и излучения с веществом", VII Сессия молодых ученых. - Иркутск, 2004.-С. 31.

11. Afiaimovich E.L., Astafieva E.I., Berngardt, O.I. Lesyuta, O.S., Demyanov V.V., Kondakova T.N., Potekhin A.P., Shpynev B.G. Midlatitude amplitude scintillation of GPS signals and GPS performance slips at the auroral oval boundary. http://www.cosis.net/abstracts/COSPAR04/00808/COSPAR04-A-00808.pdf.

12. Afraimovich E.L., Astafieva E.I., Demyanov V.V., Gamayunov I.F., and Kondakova T.N. Mid-latitude amplitude scintillation of GPS signals and GPS performance slips. Abstracts of the Beacon Satellite Symposium (BSS 2004), Trieste, Italy, October 18-22,2004.

Цитируемая литература

1. National Space Weather Program. The Implementation Plan. 2000. Washington, DC. http://www.ofcm.gov/nswp-ip/text/cover.htm.

2. Hofmann-Wellenhof, В., Н. Lichtenegger, J. Collins, 1992. Global Positioning System: Theory and Practice. Springer-Verlag Wien, New York, 327 p.

3. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС/ под редакцией Харисова В. Н., Перова А. И., Болдина В. А. М.: Изд-во ИПРЖР, 1998,400 с.

4. Соловьев ЮА Системы спутниковой навигации М.: ЭКОТРЕНД, 2000.267с.

5. Shan S.J., Lin J.Y., Kuo F.S. et al. GPS phase fluctuation observed along the American sector during low irregularity activity months of 1997-2000 // Earth Planets

and Space, 2002. V. 54. N 2. P. 141.

6. E Гундзе, Лю Чжаохань. Мерцания радиоволн в ионосфере // ТИИЭР, 1982, Т. 70, №4, С. 5-45.

7. Skone, S., and M. de Jong. The impact of geomagnetic substorms on GPS receiver performance // Earth, Planets and Space, 2000, V.52, P. 1067-1071.

8. Skone, S. and M. de Jong. Limitations in GPS receiver tracking performance under ionospheric scintillation // Physics and Chemistry of the Earth, Part A, 2001, 26/6-8, P. 613-621.

9. Kintner, P.M., H. Kil, and E. de Paula, Fading time scales associated with GPS signals and potential consequences // Radio Sci., 2001,36(4), P. 731-743.

10. Afraimovich, E.L., Lesyuta, O.S., Ushakov, I.I., and Voeykov, S.V. Geomagnetic storms and the occurrence of phase slips in the reception of GPS signals // Annals ofGeophysics, 2001,45(1), P. 55-71.

11. Афраймович Э.Л., Лесюта O.C., Ушаков И.И. Геомагнитные возмущения и функционирование навигационной системы GPS // Геомагнетизм и аэрономия, 2002, Т.42, N2, С.220-227.

12. Ledvina B.M., Makela J.J., Kintner P.M. First observations of intense GPS LI amplitude scintillations at midlatitude // Geophys. Res. Letters, 2002, V.29, No. 14,10.1029/2002GL014770.

13. Conker, R.S., M. B. El-Arini, С J. Hegarty and T. Hsiao. Modeling the effects of ionospheric scintillation on GPS/Satellite-Based Augmentation System availability, Radio Science, 2003,V. 38, N1,1001, doi:10.1029/2000RS002604.

14. Coster A. J., Foster J. C, Erickson P. J., Rich F. J. Regional GPS mapping ofstorm enhanced density during the July 15-16,2000 geomagnetic storm // Proceedings of International Beacon Satellite Symposium, June 4-6, 2001, Boston College, Institute for Scientific Research, Chestnut Hill, MA, USA, 2001. P. 176-180.

15. Gurtner, W. RINEX: The Receiver Independent Exchange Format Version 2,1993. http://igscb,jpl.nasa.gov/igscb/data/format/rinex2.txt.

16. Интерфейсный контрольный документ: ICD - GPS - 200,1993.

17. Doherty, P.H., S.H. Delay, C.E. Valladares, and J.A. Klobuchar. Ionospheric Scintillation Effects in the Equatorial and Auroral Regions // Proceedings of International Beacon Satellite Symposium, June 4-6, 2001, Boston College, Institute for Scientific Research, Chestnut Hill, MA, USA., P. 328-333.2001.

18. Афраймович Э.Л., Лесюта O.C., Ушаков И.И. Связь динамики авро-рального овала, интенсивности ионосферных неоднородностей и сбоев фазовых измерений в системе GPS. Труды ГХ международной научно-технической конференции 'Радиолокация, навигация, связь": Воронеж, 2003, Т. 3, С. 1671-1679.

19. Schaer S., Gfurtner W., Feltens J. IONEX: The Ionosphere Map Exchange Format Version 1. Proc. IGS AC Workshop, Darmstadt, Germany, February 9-11, 1998, P. 233-247.

Соискатель

Отпечатано в типографии ИВАИИ. Тираж 100 пгг. Заказ № 128 от 25.10.2004 г.

»218 25

РНБ Русский фонд

2005-4 20761

Список обозначений и сокращений.

Введение

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ И ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ТОЧНОСТЬ ИХ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ.

1.1. Общие сведения о спутниковых радионавигационных системах

GPS, ГЛОНАСС.

1.1.1. Назначение, состав и требования к спутниковым радионавигационным системам.

1.1.2. Структура радиосигнала и частотный план сигналов НС СРНС.

1.1.3. Общие принципы и методы навигационновременных определений.

1.2. Источники погрешностей навигационно-временных определений СРНС.

1.2.1. Кодово-фазовые измерения и измеряемые величины.

1.2.2. Виды погрешностей и их вклад в точность навигационно-временных определений в СРНС.

1) Погрешности, обусловленные расхождением шкал времени относительно системного времени СРНС.

2) Погрешности эфемеридного обеспечения.

3) Значение «геометрического фактора» в СРНС.

4) Погрешности, вызванные дополнительной задержкой распространения сигнала в аппаратуре НС и НАЛ.

5) Погрешности многолучевости.

6) Погрешности, вносимые на трассе распространения сигнала НС.

1.3. Нерегулярные явления в ионосфере и их влияние на качество работы СРНС.

1.3.1. Нерегулярные вариации полного электронного содержания

1) Явления, связанные с магнитными бурями.

2) Перемещающиеся ионосферные возмущения и внезапные возмущения ПЭС.

1.3.2. Влияние нерегулярных вариаций среды ОКП на параметры сигналов НС СРНС.

1) Фазовое и групповое запаздывание радиоволн в ионосфере

2) Флуктуации амплитуды и фазы сигналов НС СРНС.

1.3.3.Обзор литературы по влиянию нерегулярных явлений в

ОКП на качество функционирования СРНС.

Выводы по разделу 1.

2. МЕТОДИКА И ПРОГРАММНО-АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОЦЕНКИ ПОГРЕШНОСТИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ СРНС

2.1. Характеристика критериев оценки точности позиционирования.

2.2. Методика оценки точности и непрерывности позиционирования

2.2.1. Глобальная сеть двухчастотных приемников GPS.

2.2.2. Описание RINEX-файлов.

2.2.3. Последовательность обработки данных.

2.3. Методика статистического оценивания. погрешности позиционирования.

2.4. Программно-алгоритмическое обеспечение.

2.4.1. Исполняемые функции программного комплекса "Навигатор".

2.4.2. Управление программным комплексом.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОГРЕШНОСТИ И СБОЕВ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ GPS.

3.1. Характеристика экспериментальной базы данных и условия эксперимента.

3.2. Погрешности позиционирования GPS при невозмущенной ионосфере.

3.3. Погрешности позиционирования GPS в условиях геомагнитных возмущений.

3.3.1. Магнитная буря 15-16 июля 2000 г.

3.3.2. Магнитная буря 31 марта 2001 г.

3.3.3. Магнитная буря 29-31 октября 2003 г.

3.3.4. Статистика среднесуточных значений погрешности позиционирования.

3.4. Сбои позиционирования в магнитоспокойных условиях

3.5. Сбои позиционирования в условиях возмущенной ионосферы.

3.5.1. Магнитные бури 15 июля 2000 г и 31 марта 2001 г.

3.5.2. Магнитная буря 29-31 октября 2003 г.

3.5.3. Статистика сбоев позиционирования

3.6. Зависимость погрешности позиционирования от широты

GPS станции.

3.7. Зависимость плотности сбоев позиционирования от широты

GPS станции.

3.8. Статистические оценки точности позиционирования приемников GPS.

3.8.1. Продолжительность возмущенного периода.

3.8.2. Максимальные интервалы для различных значений погрешности.

3.8.3. Статистическое распределение вероятности погрешности позиционирования.

3.8.4. Теоретическое распределение вероятности погрешности позиционирования

Выводы по разделу 3.

4. ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ТОЧНОСТЬ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ GPS.

4.1. Общая характеристика и геометрия эксперимента.

4.2. Вариации полного электронного содержания.

4.2.1. Степенной спектр ионосферных неоднородностей.

4.2.2. Амплитудные вариации и пропуски данных

4.2.3. Наблюдения мерцаний амплитуды сигналов GPS.

4.3. Динамика аврорального овала.

4.3.1. Связь погрешности позиционирования с пространственно-временными характеристиками аврорального овала 15 июля 2000 г на территории Северной Америки.

4.3.2. Связь погрешности позиционирования с пространственно-временными характеристиками аврорального овала 15 июля 2000 г в Восточной Сибири.

4.3.3. Наблюдение сигналов обратного рассеяния 15 июля.

4.3.4. Обсуждение и интерпретация результатов.

4.4. Абсолютные значения и градиенты полного электронного содержания.

4.5. Прогноз ухудшения точности позиционирования GPS на период предсказанного геомагнитного возмущения.

4.5.1. Мониторинг околоземного космического пространства с целью прогноза геомагнитного возмущения.

4.5.2. Прогноз погрешности позиционирования на предсказанное геомагнитное возмущение.

4.5.3. Рекомендации пользователям по выбору приемников GPS.

Выводы по разделу 4.

По мере развития прогресса наша цивилизация все более и более полагается на космические системы связи, навигации и локации, функционирование которых в определенной степени зависит от состояния околоземного космического пространства (ОКП). Чтобы подготовиться к решению проблем уязвимости этих систем, ряд правительственных ведомств США разработали программу, названную Национальной Программой Космическая Погода [97]. Аналогичная программа разрабатывается и в России.

Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) - американская GPS [82] и российская ГЛОНАСС [40, 45] стали в настоящее время мощным фактором мирового научно-технического прогресса и продолжают все активнее использоваться в различных сферах человеческой деятельности: науке, экономике, технике. Они в состоянии обеспечить глобальность, точность, непрерывность и высокую достоверность определения координат (позиционирования) при решении широкого круга прикладных задач.

Развитие старых и появление новых направлений использования современных СРНС выдвигает новые, все более жесткие требования, как к точности позиционирования, так и надежности навигационного обеспечения. Эти требования вытекают из необходимости обеспечения безопасности и экономичности движения наземных и воздушных объектов, а также решения некоторых специальных задач (наблюдение, поиск и спасение терпящих бедствие транспортных средств и людей и др.).

Качество функционирования СРНС, использующих канал распространения радиоволн Космос-Земля, существенно ограничено влиянием ОКП. При этом основной вклад приходится на системные ионосферные эффекты распространения радиоволн: групповое и фазовое запаздывание, доплеров-ское смещение частоты. Степень проявления указанных эффектов во многих случаях слабо зависит от локального распределения электронной концентрации, но прямо связана с величиной полного электронного содержания (ПЭС) вдоль траектории распространения радиосигнала.

В условиях невозмущенного ОКП основной вклад в формирование любого из перечисленных ионосферных эффектов вносит регулярная составляющая ПЭС. Ее величина испытывает закономерные вариации (сезонно-суточные, широтные и долготные) и может прогнозироваться с удовлетворительной точностью. Сложнее оказывается ситуация в условиях геомагнитных возмущений ОКП. При этом существенно проявляется нерегулярная составляющая ПЭС и возникают пропорциональные флуктуации группового (фазового) запаздывания, которые могут вызывать появление дополнительных погрешностей позиционирования. Кроме этого, активизируется процесс генерации мелкомасштабных ионосферных неоднородностей, рассеяние на которых вызывает флуктуации амплитуды и фазы сигналов навигационных спутников (НС) в точке приема [104]. В наихудших случаях возможен срыв сопровождения сигнала одного или нескольких НС навигационного созвездия по фазе (коду) на одной из рабочих частот СРНС и, как следствие, сбой в определении координат.

Флуктуации, или мерцания фазы и амплитуды, наблюдаемые на разных частотах, были хорошо исследованы в экваториальных и авроральных областях [25, 90, 105, 106]. Средние широты в этом отношении считались исключительно спокойными. Утверждалось, что на средних широтах отсутствуют условия, приводящие к возникновению мелкомасштабных неоднородностей (большие градиенты электронной концентрации, скорости дрейфа, сильные электрические поля). Только в последние 3-4 года появился ряд работ по исследованию фазовых и амплитудных мерцаний сигналов на средних широтах [5, 54, 70, 95].

В некоторых исследованиях указывается, что в условиях магнитных бурь срывы сопровождения сигнала НС по фазе и коду на второй (вспомогательной) частоте^ GPS наблюдаются значительно чаще, чем на первой [5, 68, 70, 106]. Поэтому непрерывность и точность позиционирования в двухчастотном режиме работы приемника GPS в условиях геомагнитных возмущений ОКП может оказаться неприемлемой для решения некоторых важных задач. Ряд авторов отмечает также различную реакцию приемников GPS разных фирм-производителей на геомагнитные возмущения [5, 105, 106].

В последнее время активно ведутся работы по исследованию фазовых флуктуаций и сбоев фазовых и кодовых дальномерных измерений в СРНС в условиях геомагнитных возмущений [5, 54]. Однако с точки зрения потребителя значительно больший интерес представляют исследования, посвященные влиянию геомагнитных возмущений на качество функционирования СРНС, именно как системы определения местоположения.

В связи с этим, предметом данной диссертации являются точность и непрерывность позиционирования приемников спутниковых радиотехнических систем навигации во время геомагнитных возмущений.

Цель настоящей работы заключается в разработке методики тестирования и прогнозирования точности позиционирования приемников спутниковых радиотехнических систем навигации в различных геофизических условиях на основе обработки данных глобальной сети двухчастотных приемников GPS. Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработка методики и программно-алгоритмического обеспечения для обработки данных и анализа точности и непрерывности позиционирования по сигналам СРНС.

2. Создание базы данных глобальной сети приемников GPS за период 2000-2003 г.г., необходимой для получения оценок точности и непрерывности позиционирования по сигналам СРНС.

3. Исследование зависимости точности и непрерывности определения координат по сигналам СРНС в одно- и двухчастотном режимах от уровня геомагнитного возмущения и географического местоположения навигационного приемника.

4. Изучение связи увеличения погрешности позиционирования по сигналам СРНС с геофизическими процессами, сопровождающими геомагнитные возмущения.

5. Выработка практических рекомендаций пользователям СРНС в условиях геомагнитных возмущений околоземного космического пространства и разработчикам бортовых радиоэлектронных комплексов (БРЭК) по выбору типа навигационного приемника.

Научная новизна исследования

1. Впервые с использованием разработанного в диссертации метода и программного комплекса на основе обработки данных глобальной сети двух-частотных приемников GPS показано, что в условиях геомагнитных возмущений ошибка позиционирования СРНС на средних широтах возрастает в 2.6 раз по сравнению с магнитоспокойными периодами.

2. Впервые показано, что ухудшение точности позиционирования СРНС во время магнитных бурь наиболее выражено во время резких и глубоких изменений напряженности магнитного поля Земли, а география сбоев позиционирования зависит от пространственно-временных характеристик аврорального овала и распределения градиентов полного электронного содержания.

3. Впервые получены качественные и количественные оценки погрешностей позиционирования по сигналам СРНС для различных типов приемников, геомагнитных условий и географического местоположения.

Достоверность результатов

Достоверность результатов, представленных в диссертации, обусловлена обширной статистикой наблюдений и качественным согласием полученных результатов с результатами независимых исследований, опубликованными ранее другими авторами и с известными положениями теории.

Практическая значимость работы состоит в том, полученные результаты и разработанные в диссертации методики могут быть использованы для разработки алгоритма прогнозирования ожидаемой точности и непрерывности измерений СРНС в период предсказанного геомагнитного возмущения. Результаты работы могут быть полезны разработчикам бортовых радиоэлектронных комплексов, как рекомендации по выбору типа навигационных приемников при эксплуатации в высокоширотных регионах или при геомагнитных возмущениях.

Личный вклад автора

Основные результаты работы являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Автору принадлежат:

1. Создание и обработка базы данных глобальной сети приемников GPS для серии магнитных бурь и магнитоспокойных дней за период 20002003 г.г.

2. Обработка и анализ данных эксперимента по изучению пространственно-временных характеристик точности и непрерывности позиционирования различных приемников GPS в различных геофизических и географических условиях.

Автор принимал непосредственное участие в:

1. Разработке методики и программно-алгоритмического обеспечения для обработки данных и анализа точности и непрерывности позиционирования СРНС;

2. Изучении связи динамики авроральной активности и погрешности позиционирования в системе GPS;

3. Получении статистических характеристик погрешности позиционирования с целью прогнозирования ожидаемого ухудшения точности определения координат.

Апробация работы

Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на IX международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2003; V Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники», Красноярск, 2003; Всероссийской научно-практической конференции

Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов», Красноярск, 2003; Всероссийской научно-технической конференции «Решетневские чтения», Красноярск, 2003; международном симпозиуме COSPAR-2004, Париж, 2004; «Байкальской школе по фундаментальной физике - 2004», Иркутск, 2004, а также на научных семинарах ИВАИИ, ИСЗФ СО РАН, ИГУ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика и программно-алгоритмическое обеспечение, позволяющие эффективно проводить анализ качества функционирования аппаратуры пользователя СРНС по данным глобальной сети двухчастотных приемников GPS.

2. Результаты экспериментальной оценки точности и непрерывности позиционирования СРНС за 14 суток периода 2000-2003 г.г., для 86 станций глобальной сети приемников GPS в условиях спокойного и возмущенного геомагнитного поля, на низких, средних и высоких широтах в западном и восточном полушариях.

3. Результаты статистического анализа точности позиционирования приемников СРНС, позволяющие выполнять прогноз точности позиционирования на период предсказанного геомагнитного возмущения.

4. Практические рекомендации пользователям СРНС и разработчикам бортовых радиоэлектронных комплексов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников, содержащего 110 ссылок. Общий объем диссертации - 221 страница, включая 19 таблиц, 61 рисунок и 4 приложения.

Выводы по разделу 4

1. На примере трех магнитных бурь периода 2000-2003 г. г. показано, что ухудшение функционирования GPS на средних широтах во время геомагнитных возмущений обусловлено рассеянием сигналов GPS на интенсивных мелкомасштабных неоднородностях электронной концентрации, возникающих на границе аврорального овала и в областях с резкими градиентами полного электронного содержания.

2. Статистический анализ ошибок позиционирования, проведенный для четырех типов приемников в различных геофизических и географических условиях показал, что на средних широтах лучшую точность обеспечивают приемники фирм-производителей АОА и TRIMBLE. Приемники ASHTECH и ROGUE более чувствительны к изменению геомагнитной обстановки, что выражается в большей вероятности высоких значений ошибки определения координат и длительности интервалов времени, в течение которых она может наблюдаться.

3. Рекомендуется задействовать одночастотный режим измерений во время развития главной фазы магнитной бури, чтобы снизить вероятность сбоев позиционирования.

4. Полученные в работе статистические характеристики погрешности позиционирования наряду с данными мониторинга состояния ОКП можно использовать в качестве прогноза точности GPS на период предсказанного геомагнитного возмущения. Данная методика позволяет определить, где, на какой стадии магнитной бури следует ожидать увеличение погрешности позиционирования для различных типов приемников. В авроральных широтах погрешность позиционирования возрастает в 2.6 раз в течение часа после начала магнитной бури (SSC), на средних широтах снижение точности позиционирования в 2.6 раз следует ожидать через 2-3 часа после SSC. Продолжительность периода пониженной точности позиционирования GPS на главной фазе магнитной бури достигает 8 ч на высоких и 4-5 ч на средних широтах.

1. Альперт Я. Л. Распространение радиоволн и ионосфера. - М.: Издательство АН СССР, I960.-480 с.

2. Афраймович Э.Л., Косогоров Е.А., Лесюта О.С., Ушаков И.И. Спектр перемещающихся ионосферных возмущений по данным глобальной сети GPS// Изв. ВУЗов. Радиофизика, 2001, Т. XLIV, N10, 828-839.

3. Афраймович Э.Л., Лесюта О.С, Ушаков И.И. Геомагнитные возмущения и функционирование навигационной системы GPS // Геомагнетизм и аэрономия, 2002, Т.42, N2, 220-227.

4. Афраймович Э.Л., Демьянов В.В., Кондакова Т.Н. Ухудшение качества функционирования навигационной системы GPS в условиях геомагнитной возмущенности // Солнечно-земная физика, 2002, вып. 3, 86-94.

5. Афраймович, Э.Л., Ушаков И.И. Статистика сбоев кодовых измерений дальности в навигационной системе GPS при геомагнитных возмуш,ениях. Сборник докладов IX международной конференции "Радиолокация, навигация, связь", Воронеж, 2003, Т. 3, 1680-1690.

6. Бабич О. А. Обработка информации в навигационных комплексах. - М.: Машиностроение, 1991. 512с.

7. Базаржапов А. Д., Матвеев М. И., Мишин В. М. Геомагнитные вариации и бури. Новосибирск: Наука, 1979. 243 с.

8. Болдин В. А. Зарубежные глобальные системы навигации. - М.: Изд-во ВВИА им. И. Е. Жуковского, 1986.

9. Вентцель Е. Теория вероятностей. - М.: Наука. 1969. 576с.

10. Волков Н. М., Иванов Н. Е., Салищев В. А., Тюбалин В. В. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС // Успехи современной радиоэлектроники, 1977, № 1, 31-46.

11. Гинзбург В. Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. - М.: Наука, 1967.-552с.

12. Глобальная спутниковая навигационная система ГЛОНАСС// Интерфейсный контрольный документ. - М.: ВКС РФ, 1995.

13. Грудинская Г. П. Распространение радиоволн. - М.: Высшая школа, 1975. 280с.

14. Гудмен Дж. Аароне М., Ж. Влияние ионосферных эффектов на современные электронные системы // ТИИЭР. 1990. Т. 78. № 3. 59-76.

15. Гундзе Е., Лю Чжаохань. Мерцания радиоволн в ионосфере // ТИИЭР. 1982. Т. 70. № 4. 5-29.

16. Демьянов В. В. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Иркутский государственный университет. Иркутск, 2000, 140 с.

17. Долуханов М. П. Распространение радиоволн. - М.: Связь, 1972. 392с.

18. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. - М.: Мир, 1973. 502 с.

19. Ермаков М., Михайлов Г. А. Статистическое моделирование. - М.: Наука, 1982. 296 с.

20. Жеребцов Г. А., Мизун Ю. Г., Мингалев. В. Физические процессы в полярной ионосфере. - М.: Наука, 1988. - 232 с.

21. Жеребцов Г.А., Заворин А.В., Медведев А.В. и др. Иркутский радар некогерентного рассеяния // Радиотехника и электроника. 2002, Т. 47, № 11, 1339-1346.

22. Котяшкин И. Определение ионосферной задержки сигналов в одночастотной аппаратуре потребителей спутниковой системы навигации NAVSTAR // Зарубежная радиоэлектроника. 1989, № 5, 85-95.

23. Кравцов А. Ю. Прохождение радиоволн через ионосферу Земли. - М.: Радио и связь, 1983. - 224 с.

24. Крейн Р. К. Мерцания радиосигналов в ионосфере // ТИИЭР. 1977. Т. 65. N2. 5-29.

25. Кринберг И. А., Тащилин А, В. Ионосфера и плазмосфера. - М.: Наука, 1984. 189 с.

26. Львовский Е. И. Статистические методы построения эмпирических формул: Учеб. пособие для втузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1988. -239 с.

27. Полуэмпирическая модель ионосферы / В. М. Поляков, В. Е. Суходольская, М. К. Ивельская, Г. Е. Сутырина и др. - М.: Наука, 1986. 136 с.

28. Российский радионавигационный план// НТЦ «Интернавигация», М., 1994.

29. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. - М.: ЭКОТРЕНД, 2000. 267 с.

30. Солодовников Г. К., Синельников В. М., Крохмальников Е. Б. Дистанционное зондирование ионосферы Земли с использованием радиомаяков космических аппаратов. М.: Наука, 1988. 191 с.

31. Справочник по спутниковой связи и вещанию// под. ред. Г. Б. Аскинази, В. Л. Быков, Г. В. Водопьянов и др. - М.: Радио и связь, 1983. - 288с.

32. Федеральный радионавигационный план США// МТ и МО США, 1994.

33. Физика космоса: малая энциклопедия // под ред. Р. А. Сюняева. - М.: Советская энциклопедия, 1986. - 783с.

34. Харисов В. П., Перов А. И., Болдин В. А. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС/ - М.: ИПРЖР, 1998, 400 с.

35. Шебшаевич В. Сетевые спутниковые радионавигационные системы.- М.: Радио и связь, 1982. 272с.

36. Яковлев О. И. Космическая радиофизика. - М.: Научная книга, 1998. 432 с.

37. Aarons J. Global positioning system phase fluctuations at auroral latitudes. J. Geophys. Res. 1997, V. 102, N A8, P. 17219.

38. Aarons J., Global morphology of ionospheric scintillations. Proc. of the IEEE. 1982, V. 70, N4, P. 360.

39. Aarons J., Mendillo M., Kudeki E. et al. GPS phase fluctuations in the equatorial region during the MISETA 1994 campain. J. Geophys. Res. 1996, V. 101, N A12,P.26851.

40. Aarons J., Mendillo M., Yantosca R. GPS phase fluctuations in the equatorial region during sunspot minimum. Radio Sci. 1997, V. 32, P. 1535.

41. Aarons J., Lin B. Development of high latitude phase fluctuations during the January 10, April 10-11, and May 15, 1997 magnetic storms. J. Atm. Sol.-Terr. Phys. 1999,V. 61,P. 309.

42. Afraimovich E.L., Lesyuta O.S., Ushakov I.I. and Voeykov S.V. Geomagnetic storms and the occurrence of phase slips in the reception of GPS signals. Annals of Geophysics, 2002, V. 45, N 1, P. 55-71.

43. Afraimovich E.L., Demyanov V.V., Kondakova T.N. Degradation of GPS performance in geomagnetically disturbed conditions. LANL e-print archive. 2002. http://xxx.lanl.gov/abs/phvsics/0211015.

44. Afraimovich, E.L., Demyanov V.V., Kondakova T.N.. Degradation of performance of the navigation GPS system in geomagnetically disturbed conditions // GPS Solutions, 2003, V.7, N 2, P. 109-119.

45. Bazarov Y. Introduction to Global Navigation Satellite System // AGARD

46. ECTURE SERIES 207. System implication and innovative applications of satellite navigation. NATO AGARD, 1996. 413 p.

47. Basu S., Basu S., MacKenzie E., Whitney H.E. Morphology of phase and intensity scintillations in the auroral oval and The polar cap. Radio Sci., 1985, V. 20, N 3, P. 347-356.

48. Basu Santimay, MacKenzie E., and Basu Sunanda. Ionospheric constraints on VHF/HUF communication links during solar maximum and minimum periods. Radio Sci., 1988, V. 23, P. 363-378.

49. Bhattacharrya A., Beach T.L., Basu S. and Kintner P.M. Nighttime equatorial ionosphere: GPS scintillations and differential carrier phase fluctuations. Radio Sci., 2000, V. 35, P. 209-224.

50. Blomenhofer H., Meyer-Hilberg J. Availability and accuracy during precision approaches and automatic landings // 5-th Intern. Conf. On Differential Satellite Navigation Systems, St. Petersburg, 1996, Add. Vol., Paper № 43.

51. Brurmer, F. K., Atmospheric effects on geodetic space measurements. - Monograph 12, School of Surveying, University of New South Wales, Kensington, Australia, -1988.

52. Buneman O, Excitation of field aligned sound waves by electron plasmas, Phys. Rev. Lett., 1963, V. 10, P. 25-27.

53. Chivers Н. J. Observed variations in the amplitude scintillations of the Cassiopeia (23N5A) radio source // J. Atmos. and Sol.-Terr. Phys. 1960. V.19. P. 5 4 - 6 3 .

54. Coker C , Hunsucker R., Lott G. Detection of auroral activity using GPS satellites // Geophys. Res. Lett. 1995, V.22(23). P. 3259-3262.

55. Conker, R.S., El-Arini M. В., Hegarty С J. and Hisao T. Modeleing the effects of ionospheric scintillation on GPS/Satellite-Based Augmentaion System availability, Radio Science, 2003, V. 38, N 1, 1001, doi:10.1029/2000RS002604

56. Coster A.J., Gaposchkin E. M., and Thornton L. E. Real-time ionospheric monitoring system using GPS // Journal of The Institute of Navigation, 1992, V. 39(2), P. 191-204.

57. Interface Control Document ICD-GPS-200, 1993.

58. Feairheller S. The Russian GLONASS System. US Air Force// Russian study/ ION GPS-94, 1994, P. 293-302.

59. Foster J., Aarons J. Enhanced antisunward convection and F region scintillations at mid-latitude during storm onset // J. Geophys. Res. 1988, V. 93. N AlO. P. 11537-11542.

60. Foster J.C.,. Tetenbaum D., del Pozo С F., St-Maurice J.-P., Moorcroft D. R., Aspect Angle Variations in Intensity, Phase Velocity , and Altitude for High-1.atitude 34-cm E Region Irregularities, JGR, 1992, V. 97(A6), P. 8601-8617.

61. Foster J. Storm time plasma transport at middle and high latitudes // J. Geophys. Res. 1993,V. 98.NA2. P. 1675-1689..

62. Fremouw E.J., Secan J.A., Lansinger J.M. Spectral behaviour of phase scintillation in the nighttime auroral region. Radio Sci., 1985, V. 20, N. 4, P. 923-933.

63. Gurtner W., RESfEX: The Receiver Independent Exchange Format Version2. 1993. http://igscd.ipl.nasa.gov:80/igscd/data/format/rinex2.txt,.

64. Haldoupis C , Nielsen E., Schlegel. Dependence of radar auroral scattering cross section on the ambient electron density ahd the destabilizing electric field // Ann.Geophys. 1989, V.8. №3. P.195-212.

65. Ho C. M., Mannucci A. J., Landqwister U. J., Pi X., and Tsurutany B. T. Global ionospheric perturbations monitored by the worldwide GPS network // Geophysical Research Letters, 1997, V. 23(22), P. 3219-3222.

66. Hofmann-Wellenhof В., Litchtenegger H., Collins J. Global Positioning System: Theory and Practice. Springer-Verlag Wien, New-York. 1992, 327 p. 83. http://sec.noaa.gov/pmap/pmapN.html

67. Jakowski N., Schluter S. and Jungstand A. Monitoring the ionosphere over Europe and related the ionospheric studies // IGS worksh. Proc, 1995, P. 265-271.

68. J.-P. St.-Maurice, Foster J.C, Holt J.M. and. Del Pozo С // J. Geophys. Res. 1989,V.94,NA6.P.6671.

69. Kaplan, E. D. Understanding GPS: principles and applications // Artech House. 1996.556 р.

70. Karasawa Y., Yasukawa K. and Yamada M. Ionospheric scintillation measurements at 1.5 GHz in mid-latitude region, Radio Sci., 1985, 20 (3), P. 643-655.

71. Kelley M.C. The Earth's ionosphere: plasma physics and electrodynamics. Academic Publ. Сотр., San Diego, Calif., 1989, P. 485-495.

72. Kelley R. J, Davis J. Required Navigation Performance (RNP) for Pre-cision Aproach and Landing with GNSS Application // Navigation (USA), 1994, N/1, P. 1-30.

73. Kintner, P.M., Kil H., and de Paula E., Fading time scales associated with GPS signals and potential consequences // Radio Sci., 2001, 36(4), P. 731-743.

74. Klobuchar J., Ionospheric time-delay algorithm for single-frequency GPS users // IEEE Transactions on Aerospace and Electronics System, 1986, AES 23(3), P. 325-331.

75. Lanbert W. Monitoring ionospheric disturbances using the IGS network // IGS worksh. Proc, 1995, P. 57-66.

76. Langley R. B. GPS for Geodesy. Springer - Berlin, Heidelberg, New York, Barcelona, Budapest, Hong Kong, London, Milan, Paris, Singapore, Tokyo, 1998.-P. 111-149.

77. Lawrence R. S. The influence of the ionosphere upon radio wave propagation «Earth-space»///Proc. IEEE. 1964, V.52,№4, P. 5-30.

78. Ledvina B.M., Makela J.J., Kintner P.M. First observations of intense GPS LI amplitude scintillations at midlatitude // Geophys. Res. Letters, 2002, V.29, N. 14, 10.1029/2002GL014770.

79. Mannucci A.J., Ho СМ., Lindqwister U.J. et al. A global mapping technique for GPS-drived ionospheric TEC measurements // Radio Sci. 1998, V. 33. P. 565-582.

80. National Space Weather Program: the implementation plan // Washington, DC, 2000. - http://www.ofcm.gov/nswp-ip/text/cover.htm.

81. Pi X., Mannucci A.J., Lindgwister U.J., Ho CM. Monitoring of global ionospheric irregularities using the woldwide GPS network. Geophys. Res. Lett. 1997, V.24, P. 2283.

82. Sardon E., and N. Zarraoa. Estimation of total electron content using GPS data: How stable are the differential satellite and receiver instrumental biases // Radio Science., 1997, V. 32(5), P. 1899-1910.

83. Schaer S., Gfurtner W., Feltens J. lONEX: The Ionosphere Map Exchange Format, Version 1. Proc. IGS AC Workshop, Darmstadt, Germany, Febrmary 9-11, 1998, P. 233-247.

84. Shan S.J., Lin J.Y., Kuo F.S. et al. GPS phase fluctuation observed along the American sector during low irregularity activity months of 1997-2000 // Earth Planets and Space, 2002. V. 54. N 2. P. 141.

85. Skone, S., and M. de Jong. The impact of geomagnetic substorms on GPS receiver performance // Earth, Planets and Space, 2000, V.52, P. 1067-1071.

86. Skone, S. and M. de Jong. Limitations in GPS receiver tracking performance under ionospheric scintillation // Physics and Chemistry of the Earth, Part A, 2001, 26/6-8, P. 613-621.

87. Voiculescu М., Haldoupis С , Pancheva D., Ignat M., Schlegel K., Shalimov S., More evidence for a planetary wave link with midlatitude E region coherent backscatter and sporadic E layers. Ann. Geophys., 2000, V. 18, Issue 9, P. 1182-1188.

88. Wamart R. The study of the TEC and ITS irregularities using a regional network of GPS stations // IGS worksh. Proc, 1995, P. 249-263.