Мониторинг состояния высокоширотной ионосферы с экспедиционных морских судов

Для зондирования ионосферы к 2013 г. по всему миру использовалось более 150 наземных ионозондов, более 3 тысяч навигационных приемников сигналов КА NavStar/ГЛОНАСС. Разработаны технологии мониторинга ионосферы с помощью приемника сигналов навигационных КА NavStar/ГЛОНАСС (Galileo).
Традиционной особенностью зондирования ионосферы по сигналам КА NavStar/ГЛОНАСС является стационарное расположение навигационных приемников, функционирование которых критично к динамическим нагрузкам. Иначе сложно выполнить высокоточные измерения ионосферных задержек сигналов КА NavStar/ГЛОНАСС. Условие квазистатичности мультичастотного навигационного приемника препятствует применению технологии зондирования ионосферы по сигналам КА NavStar/ГЛОНАСС с борта морских и океанских судов, в том числе в высоких широтах вдоль Северного морского пути. Ионосфера над огромными территориями морей и океанов остается малоисследованной.
Для зондирования ионосферы Земли над морями и океанами активно реализуются космические программы, используются модели ионосферы. Но возможность подвижного зондирования ионосферы по сигналам КА NavStar/ГЛОНАСС остается весьма актуальной. Требуется проверка технологии зондирования ионосферы по сигналам КА NavStar/ГЛОНАСС в реальных условиях с борта морского судна. Оборудование было размещено на площадке научно-исследовательского судна "Профессор Молчанов" в рамках экспедиций "Арктический плавучий университет - 2014" (июньский и августовский рейсы).
Эксперимент проводился в различных погодных гидрографических и гелиогеофизических условиях. Пройденное расстояние вдоль Севморпути составило более 7 000 км. На основе полученных с навигационных приемников характеристик сигналов КА NavStar/ГЛОНАСС рассчитывались оценки состояния высокоширотной ионосферы.
Навигационные приемники для эксперимента отбирались по результатам предварительного тестирования устойчивости их работы на движущемся автомобиле. Имитация динамических возмущений из-за тряски, толчков, вибраций позволила оценить устойчивость эталонных генераторов и алгоритмов приемовычислителей навигационных приемников, уровень возникающих фазовых ошибок слежения.
Для зондирования ионосферных задержек и морфологии аномалий ионосферы по характеристикам сигналов КА NavStar/ГЛОНАСС использовались модели ионосферы (IRI) и кодовые измерения псевдодальности на 2-х частотах.
Более стабильными являются расчеты при использовании измерений псевдодальности по набегу фаз. Однако и в этом случае необходимо учитывать неопределенность в ошибке измерения фазы и неоднозначность фазовых измерений.
Для минимизации эффектов тропосферной рефракции обычно используются наблюдения сигналов навигационных КА, положение которых близко к зениту. Для зондирования ионосферы в высоких широтах это трудновыполнимо.
Для диагностики влияния морфологии высокоширотной ионосферы в различных гелиогеофизических условиях на прохождение сигналов навигационных КА проводилось графическое сопоставление рассчитанного по модели положения аврорального овала c результатами расчета траектории движения судна. Положение аврорального овала определялось границами положения приполюсной границы, экваториальной границы овала и экваториальной границы диффузного свечения.
В результате проведения эксперимента по зондированию высокоширотной ионосферы вдоль Севморпути с морского судна по сигналам НКА получены уникальные результаты о сложной морфологии аврорального овала и влиянию гелиогеофизических условий на качество навигационных определений.
Получено доказательство возможности использования адаптированного способа зондирования ионосферы по сигналам НКА с борта морского судна вдоль Севморпути.
По результатам обработки данных эксперимента установлено удовлетворительное соответствие данных измерений с результатами моделирования высокоширотной ионосферы вне зоны аврорального овала в различных геомагнитных условиях.