Monitorování ionosféry využitím dat GPS systémů.

Josef Boška, J.Laštovička, D.Kouba.

Ústav fyziky atmosféry AVČR

Globální družicové polohové systémy: • GPS (USA)• GLONASS (Rusko)• GALILEO (EU civilní)• COMPASS • Regionální

(BEIDOU,IRNSS,QZSS).

Signály ze satelitů se šíří různými vrstvami atmosféry. Rychlost šíření se mění se změnami indexu lomu atmosféry. Ionosféra n<1, troposféra n>1. To má zásadní vliv na přesnost systémů.

Zdroje nepřesnosti satelitní navigace:

• Příčina Velikost• Efemeridy družic ± 2,1m• Družicové hodiny ± 2,1m• Ionosférická refrakce ± 4,0m• Troposférické refrakce ± 0,7m• Vícecestné šíření signálu ± 1,4m• Přijímač ± 0,5m

V důsledku existence volných elektronů je klíčovým parametrem pro navigaci TEC, což je obsah elektronů ve sloupci o ploše 1m2 z místa pozorování k satelitu:

Excesivní dráha pro grupové zpoždění, relevantní pro kódová měření

Excesivní dráha pro fázové zpoždění,relevantní pro měření fáze nosné vlny

Závislost ionosférického zpoždění na TEC a frekvenci signálu.

L2

L1

TEC - horizontální gradientyTEC za klidných podmínek, Evropský region, real-time mapa a jednohodinová předpověď from Evr. TEC SWACI server (DLR, Neustrelitz, Germany) – colour scale v TEC a ionosféricka chyba (L1 GPS).http://swaciweb.dlr.de/data-and-products/public/tec/tec-eu/?L=1

Klidná situace – malý TEC gradient.

Monitoring – mapy obnoveny každých 5 minut.

TEC horizontální gradient za porušených podmínek.

TEC mapy nad severním pólem v průběhu silné geomagnetické bouře 20.11. 2003 (Kp = 9), mapy SWACI Web DLR Neustrelitz. Účinek částicové ionizace.

TEC - horizontalní gradient.

Variace VTEC měřené GPS PRN6 mezi 22:00 a 24:00 UT v průběhu silné geomagnetické bouře 30.10. 2003 na Antarktických stanicích SBA, CAS1 and DAV1. (Momani et al., 2010).

TEC in Antarctica during a strong geomagnetic storm – effect of TID/TAD

Změny TEC v průběhu slunečního zatmění.

TEC měřený na stanicích (a)Thiruvananthapura, (b) Bengaluru, (c) Hyderabad, (d) Viskhapatnam v průběhu slunečního zatmění 15.1. 2010 (fialová). Průměr TEC pro klidné dny (modrá) se standartní odchylkou. Šedý úsek – čas zatmění pro každou stanici (Vyas et al, 2012).

Největší poruchy v TEC jsou způsobeny silnými, ovšem naštěstí nepříliš častými, geomagnetickými bouřemi. Ovšem akusticko gravitační vlny šířící se termosférou a ionosférou jsou příčinou menších poruch (TID). Ovšem tyto AGW existují a působí prakticky po naprostou většinu času.

TIDs a akusticko gravitační vlny.

Poruchy TEC nad Evropou 23 May 2002; 12:02 UT (nahoře), 12:12 UT (střed), 12:22 UT (dole). Hřebeny vln – plná čára crestsMinima vln – čárkovaná linie Borries et al. (2009).

ě

TIDs a akusticko gravitační vlny.

Odchylky TEC určené z GPS pozorování v průběhu zemětřesení v Tohoku 11. březen 2011.

Koncentrické vlny vzniklé působením AGW mají epicentrum vzdálené ~170 km od seismického epicentra. (Tsugawa et al., 2011).

TIDs a akusticko gravitační vlny.

Akusticko gravitační vlny, detekované z GPS dat, excitované vlnou tsunami, vyvolanou zemětřesením Samoa Září 2009 .

Vertikákální linie fialová – čas zemětřeseníČerná čárkovaná – čas příchodu tsunami (Galvan et al., 2011).AGW byly pozorovány ~15 minut před příchodem tsunami. Možnost varování a predikce?

Variace TEC:

• 11 letý cyklus sluneční aktivity• Roční variace (zimní anomálie)• 27 denní variace sluneční rotace• Silná denní variace • Regionální variace • Scintilace ionosféry:max. 20° okolo magnetického

rovníku,aurorální oblast

• Krátkodobé změny:• Geomagnetické bouře • TID events a pod.• Detekce AGW excitovaných řadou různých zdrojů