Учёт влияния ионосферы

Ионосфера, простирающаяся от высоты около 50 км до примерно 1000 км над Землей, является областью ионизованных газов (свободных электронов и ионов). Ионизация вызывается солнечной радиацией, и состояние ионосферы определяется преимущественно интенсивностью солнечной активности. Ионосфера состоит из слоев (называемых слоями D, E, F1 и F2) на различных высотах, каждый со своими скоростями образования и потери свободных электронов. Пик электронной плотности (количество электронов в кубическом метре) приходится на диапазон высот в 250-400 км (слой F2).

Физические характеристики ионосферы изменяются ото дня к ночи в широких пределах. Когда Солнце восходит, его ультрафиолетовое излучение начинает разлагать молекулы газа (в основном H2 и He на больших высотах, а на меньших высотах – O2 и N2) на ионы и свободные электроны. Пик электронной плотности наступает около 2 часов после местного полдня, а затем плотность начинает уменьшаться. Ночью ионизация не происходит, и ионы и электроны находят друг друга и рекомбинируют, уменьшая количество свободных электронов. Наблюдаются значительные изменения в зависимости от времени года и фазы 11-летнего цикла солнечной активности. (Текущий солнечный цикл начался в 1995 г. и имел пик в 2000 г.) Может также проявляться значительная изменяемость ото дня ко дню, в зависимости от солнечной активности и геомагнитных нарушений. Есть также непредсказуемые краткосрочные влияния и локальные аномалии (подвижные ионосферные нарушения).

Скорость распространения радиосигналов в ионосфере зависит от числа свободных электронов на их пути, определяемых величиной полной электронной концентрации TEC (Total Electron Content). Это число электронов, содержащихся в столбе сечением в 1 м2, простирающемся от приемника до спутника:

где ne (s) - переменная электронная плотность вдоль пути сигнала, а интегрирование производится вдоль пути сигнала от спутника S к приемнику R. Длина пути через ионосферу самая короткая в направлении зенита, и поэтому TEC имеет наименьшее значение в вертикальном направлении (TECV). Величина TEC измеряется в единицах TECU (TEC Units), определяемых как 1016 электронов/м2. Обычно TECV изменяется между 1 и 150 TECU. В данном месте и в данное время TECV может изменяться на 20-

25% от его среднемесячного значения. Современные модели ионосферы не обеспечивают адекватное представление изменений в TEC между сутками. Ионосфера обычно имеет спокойное поведение в умеренных широтах, но может флуктуировать вблизи экватора и магнитных полюсов. Район с наивысшей ионосферной задержкой лежит в пределах ±20° от магнитного экватора. Солнечные вспышки и последующие магнитные бури могут

создавать обширные и быстрые флуктуации в фазе несущей (называемые сцинтилляциями) и в амплитуде (называемые затуханиями) сигналов СРНС. Это явление, хотя и кратковременное и нечастое в средних широтах, может создавать трудности в непрерывном отслеживании сигналов в полярных и экваториальных районах.

При геодезическом использовании спутниковых измерений наибольшее распространение получил метод учета влияния ионосферы, базирующийся на применении двух несущих частот L\ и L2. Поскольку данный метод заслуживает повышенного внимания при высокоточных геодезических спутниковых измерениях, то изложим вкратце обоснование двухчастотного принципа исключения ионосферных задержек применительно к фазовым измерениям. Для упрощения математических выкладок пренебрежем на данной стадии (также, как и в подразделе 2.8) влиянием тропосферы, т. е. предположим, что влияние атмосферы сводится только к воздействию ионосферы на результаты спутниковых фазовых измерений. При этом приведенные в разделе 2 формулы (2.36) могут быть представлены в следующем, несколько модернизированном виде:

где тао'геом = р/с + (8tc-Stnp) - время прохождения радиосигналом геомет- рического расстояния между спутником и приемником, включающее в себя и временные поправки, обусловленные уходом часов на спутнике и в приемнике; k/fL1L2- поправка, учитывающая влияние ионосферы. Из совместного решения уравнений (4.9) имеем:

Характерная особенность введенного значения фазового сдвига,

относящегося к комбинационной частоте