Использование данных с высоким разрешением для более детального изучения ионосферы

Фаза несущей сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) может обеспечить высокую эффективность обнаружения мелкомасштабных возмущений в ионосфере. При этом основным ограничением чувствительности фазовых измерений являются шумы. Для обозначения границы разделения слабых ионосферных событий и неинформативных шумов в спектре фазы несущей был предложен термин «частота девиации» (deviation frequency) [1]. Частота девиации определяется как точка на спектре фазы ГНСС, в которой спектральный наклон изменяется до практически нулевого.
Измерения фазы несущей сигналов навигационных спутников GPS, ГЛОНАСС и GALILEO проводились с использованием навигационного приемника Septentrio PolaRx5, который установлен на стационарном пункте измерений Института солнечно-земной физики СО РАН (52,24 с.ш., 104,26 в.д.) и является частью сети SibNet [2]. Запись измерений фазы несущей осуществлялась с частотой регистрации 100 Гц в спокойных геомагнитных условия и в условиях умеренного геомагнитного возмущения (Dstmin = -74 нТ).
Диапазон вариации частоты девиации, в общем, находится в пределах ~18-47 Гц, но зависит от геомагнитных условий наблюдений. В спокойных условиях частота девиации достигает максимальных значений, равных ~38-41 Гц, в то время как во время геомагнитной бури значения частоты девиации смещены в сторону высоких частот и находятся в диапазоне ~40-47 Гц. Во время бури значения в диапазоне ~18-22 Гц почти отсутствуют. Таким образом, диапазон изменения частоты девиации вне зависимости от типа сигнальной компоненты ГНСС смещается в сторону высоких частот во время геомагнитной бури [3].
Другой особенностью поведения частоты девиации является тот факт, что значения исследуемого параметра в основном сгруппированы ближе к частоте Найквиста. Этот факт говорит о том, что в ионосфере находятся мелкомасштабные слабые возмущения, которые по частоте выше частоты Найквиста. Из-за влияния высокочастотных вариаций фазы максимальная частота спектра неизвестна и может достигать больших значений, из-за чего частота дискретизации не удовлетворяет требованию теоремы Котельникова, что ведет к появлению эффекта наложения высокочастотных составляющих. В исследованных нами случаях частота девиации близка к частоте Найквиста и в основном сгруппирована в пределах ~35-45 Гц. Это говорит о том, что присутствует эффект наложения, который доказывает, что частоты дискретизации 100 Гц не всегда достаточно для определения высокочастотных фазовых вариаций.
Таким образом, при сдвиге частоты девиации в область высоких частот, то есть к частоте Найквиста, можно говорить о том, что в спектре вариации фазы, то есть и в самой ионосфере, присутствуют слабые ионосферные возмущения, которые невозможно выделить прямыми методами, а по данной косвенной реакции слабые события в ионосфере на фоне шумов можно обнаружить. Тем самым поведение частоты девиации можно использовать как индикатор обнаружения слабых ионосферных возмущений в шумовой части спектра.
Для подтверждения влияния мелкомасштабных неоднородностей на спектр фазы несущей нами разрабатывается модель, которая учитывает рефракционное приращение в регулярном ионосферном слое; рефракционные волновые вариации фазы, вызванные возмущениями полного электронного содержания крупного и среднего масштабов; флуктуации фазы, вызванные неоднородностями размерами порядка первой зоны Френеля; шумы приемного оборудования. Модель может быть использована для: 1) тестирования процедур фильтрации и удаления трендов измерений фазы на выходе приемника трансионосферных сигналов; 2) отработки процедур выделения характерных точек и/или областей в спектре вариаций фазы несущей трансионосферного сигнала.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда № 23-17-00157, https://rscf.ru/project/23-17-00157/.