Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 500, № 2, стр. 173-177

Широкое использование глобальной навигационной спутниковой системы GPS при решении практических задач и в ходе выполнения фундаментальных научных исследований вызывает необходимость оценки ошибки позиционирования. Это особенно важно при определении координат в геодезии, картографии, воздушной и наземной навигации, определении смещений земной коры, выделении собственных колебаний Земли, а также позиционировании измерительной аппаратуры [1–3]. В последнее время данные глобальной спутниковой системы позиционирования успешно используются при мониторинге состояния ионосферы и атмосферы, а также при тестировании каналов распространения радиосигналов [4, 5]. Надежность и точность координатных данных, получаемых на основе GPS, определяются не только шумами в системе глобального позиционирования (неточность эфемеридных данных, собственные шумы приемника, помехи выборочной доступности и т.д.), но также влиянием геофизической среды вдоль трассы распространения спутникового сигнала на его характеристики (ионосферная и тропосферная рефракция, наличие отраженных сигналов и т.д.). Наряду с этим на ошибку позиционирования могут также влиять явления и процессы природного и техногенного происхождения [1, 6–8].

Современные средства регистрации и методы обработки спутниковых сигналов позволяют существенно уменьшить ошибки позиционирования. В частности, например, с целью уменьшения влияния ионосферы применяется двухчастотный режим приема и обработки полезных сигналов. Вместе с тем ошибка определения координат может рассматриваться в качестве потенциально возможного параметра, характеризующего состояние и степень возмущения среды (ионосферы и атмосферы) вдоль трассы распространения GPS-сигнала.

Среди явлений природного происхождения, которые могут влиять на величину ошибки определения координат, особый интерес представляют сильные геомагнитные вариации в виде магнитных бурь.

В настоящей работе анализируется влияние магнитных бурь на величину ошибки позиционирования навигационной спутниковой системы GPS.

В качестве исходных данных нами использованы данные, полученные в результате регистрации координат GPS приемником Javad Sigma-G3T, расположенным на территории геофизической обсерватории “Михнево” (ГФО MHV) ИДГ РАН (54.959° с.ш.; 37.766° в.д.). Антенна GPS-приемника располагалась на мачте высотой 8 м, удаленной на расстояние не менее 12 м от ближайшей лесной растительности. В результате измерений определялись координаты приемника, что позволяло устанавливать его как вертикальные, так и горизонтальные перемещения, а также ошибку определения псевдокоординат¹¹, которая формировалась по собственным оценкам приемника GPS. При анализе данных использовались временные цифровые ряды с дискретностью 1 мин, сформированные встроенным программным обеспечением прибора.

Вариации магнитного поля регистрировались феррозондовым цифровым магнитометром LEMI-018, обеспечивающим регистрацию в диапазоне ±68 000 нТл с разрешением 10 пТл (частота выборки 1 с^–1). Метеорологические параметры атмосферы: атмосферное давление, температура, скорость ветра и влажность воздуха в приземной атмосфере регистрировались с помощью цифровой автоматической метеостанции Davis Vantage Pro2. Результаты регистрации выложены на сайте ИДГ РАН в графическом и цифровом виде (http://idg-comp.chph.ras.ru/~mikhnevo/).

Выполнялось сопоставление амплитуды локальных вариаций магнитного поля в период сильных геомагнитных явлений и ошибка определения псевдокоординат. Анализировались временные ряды цифровых данных, полученных при магнитных бурях, характеризующихся индексом геомагнитной активности K_р = 5 и 6, за период 2016–2019 гг. Для анализа были выбраны 50 событий (табл. 1), произошедших в периоды, характеризующиеся отсутствием сильных атмосферных явлений в виде мощных атмосферных фронтов, ураганов и шквалов, а также отсутствием возмущений магнитного и электрического поля источниками техногенного происхождения.

Анализ полученных данных свидетельствует о том, что работа такой сложной высокоавтоматизированной информационно-измерительной системы, как GPS, подвержена заметному влиянию магнитных бурь. Особенно ярко это влияние проявляется при резких изменениях магнитного поля, вызывающих увеличение ошибки позиционирования. В качестве типичного примера рассмотрим магнитную бурю, произошедшую 11.03.2016 г. (индекс магнитной активности K_р = 5). Геомагнитное событие по данным ГФО MHV (станционный индекс магнитной активности K = 5) сопровождалось повышенными вариациями горизонтальной В_H и вертикальной В_z компонент индукции магнитного поля (рис. 1). При этом максимальные вариации магнитного поля зарегистрированы в период с ~12:30 до ~14:30 UTC (максимальная амплитуда вариаций В_H и В_z составила соответственно ~40 и ~25 нТл).

Рис. 1.

Вариации горизонтальной В_H и вертикальной В_z компонент индукции магнитного поля и ошибки позиционирования GPS в период магнитной бури 11.03.2016 г. по данным ГФО MHV.

На рис. 1 приведена также ошибка определения псевдокоординат GPS-приемника ER. Из данных рис. 1 следует, что на начальной стадии сильного геомагнитного возмущения наблюдается заметное увеличение ошибки позиционирования, причем ее максимальная величина практически на порядок превышает значение, характерное для периода невозмущенного геомагнитного поля, которое по нашим оценкам составляет величину порядка 1 м. Следует также отметить, что величина Е_R изменяется не монотонно и характеризуется выраженной периодичностью с видимым периодом ~3 мин. Более детальная обработка данных с применением вейвлет-анализа²² показывает, что при геомагнитных возмущениях наблюдаются повышенные вариации Е_R с периодами в диапазонах примерно 3–8 мин (рис. 2) и 30–60 мин (рис. 3). Такие же периоды вариаций выделяются во время магнитной бури в вариациях магнитного поля (на рис. 2 и 3 приведены для сравнения вейвлет-скалограммы вариаций В_Н).

Рис. 2.

Вейвлет-скалограммы вариаций ошибки позиционирования Е_R и горизонтальной компоненты магнитного поля В_Н в минутном диапазоне в период магнитной бури 11.03.2016 г.

Рис. 3.

Вейвлет-скалограммы вариаций ошибки позиционирования Е_R и горизонтальной компоненты магнитного поля В_Н в часовом диапазоне в период магнитной бури 11.03.2016 г.

Максимальные значения ошибок позиционирования Е* по данным GPS в периоды рассмотренных сильных геомагнитных возмущений приведены в табл. 1. В целом для всех рассмотренных событий при широком диапазоне изменения В₀ (15–200 нТл) диапазон изменения Е* составляет 4–26 м и при этом одинаков для всего диапазона амплитуд геомагнитных вариаций В₀.

Связь между вариацией ошибки позиционирования и вариациями горизонтальной компоненты магнитного поля в период магнитной бури подтверждается высоким значением коэффициента взаимной корреляции K_R между Е_R и В_Н. Изменение коэффициента взаимной корреляции K_R между указанными величинами в течение суток, вычисленное на часовом интервале для периода 5 мин, приведено на рис. 4.

Рис. 4.

Коэффициент взаимной корреляции между амплитудами вариаций магнитного поля (горизонтальная составляющая) и ошибкой позиционирования на периоде 5 мин.

График на рис. 4 убедительно свидетельствует о том, что в период магнитной бури величина коэффициента взаимной корреляции K_R существенно возрастает и достигает значения 0.95, что свидетельствует о значимой корреляции между Е_R и В_Н.

Результаты исследований свидетельствуют о том, что наряду с другими возмущающими факторами при интерпретации данных системы GPS необходимо учитывать геомагнитную обстановку, особенно в периоды сильных геомагнитных возмущений. Это также необходимо при настройке элементов измерительного канала, компенсирующего возмущения, вызванные магнитными бурями. Одновременно с этим полученные в настоящей работе данные позволяют рассматривать вариации ошибки позиционирования в качестве индикатора возмущенного состояния ионосферы и атмосферы при магнитных бурях, а также как параметр, характеризующий степень возмущенности среды и условий распространения в ней высокочастотного электромагнитного сигнала GPS.