Вейвлет-анализ результатов измерений ПЭС по сигналам СРНС GPS

Вейвлет-анализ результатов измерений ПЭС по сигналам СРНС GPS

The wavelet-analysis of results of measurements TEC on signals GPS

И.Н. Сушкин

I. N. Sushkin

Сибирский федеральный университет

Siberian federal university

[e-mail]

Ключевые слова: GPS, ионосфера, вейвлет-преобразования, землетрясение.

Key words: GPS, ionosphere, wavelet-transformation, earthquake.

В статье рассмотрены варианты вейвлет-преобразований результатов оценки полного электронного содержания в ионосфере по результатам измерения задержки распространения сигналов спутниковой навигационной системы GPS. При этом использовались базисные вейвлеты Добеши и «Мексиканская шляпа». Были обнаружены ярко выраженные аномалии в период сейсмической активности в Японии в марте 2011 года.

In article variants of wavelet-transformations of results of an estimation of the total electronic content in an ionosphere by results of measurement of a delay of distribution of signals satellite navigating sistems GPS are considered. Were thus used basic wavelet Daubechies and «Mexican hat». Strongly pronounced anomalies in seismic activity in Japan in March, 2011 have been found out.

Атмосфера Земли имеет ярко выраженную частотную избирательность. Неоднородное по высоте распределение диэлектрической проницаемости вызывает искривление траектории распространения радиоволн – рефракцию. Вследствие этого, на рабочей частоте навигационных космических аппаратов (НКА) GPS, погрешность определения псевдодальности составляет от 5 до 50 метров. Основное влияние на задержку радиосигнала вносит электронное содержание в ионосфере, которая постоянно изменяется в зависимости от времени (часа суток, сезона, фазы цикла солнечной активности), географических координат, высоты над уровнем моря, от солнечной активности [1]. Проводя непрерывное измерение задержки распространения радиосигнала на трассе навигационный спутник – навигационный приемник можно определить полное электронное содержание (ПЭС) в ионосферном слое Земли [2].

На рис. 1 представлены результаты непрерывного вейвлет-преобразования значений ПЭС по результатам измерений задержки распространения сигналов НКА GPS в базисе вейвлета Добеши в магнитоспокойный период времени.

Рис. 1. Вейвлет-преобразования в базисе вейвлета Добеши в магнитоспокойные дни.

Из рис.1. видно отсутствие аномальных проявлений, при этом среднечастотные составляющие объясняются суточными вариациями ПЭС.

На рис. 2 представлены результаты непрерывного вейвлет-преобразования базисе вейвлета «Мексиканская шляпа» в магнитоспокойные дни.

Рис. 2. Вейвлет-преобразования в базисе вейвлета «Мексиканская шляпа» в магнитоспокойные дни.

Из рис.2 видно, что отсутствует ярко выраженный максимум по амплитуде и отсутствие высокочастотных составляющих.

Одно из самых сильных землетрясений за последние 20 лет произошло в Японии 11 марта 2011 г. По данным Национальной геологической службы США сила землетрясения составила 9 баллов по шкале Рихтера. Координаты эпицентра землетрясения 38.322°N, 142.369°E в 130 км с координатами, восточнее города Sendai, очаг землетрясения располагался на глубине 13,5 км [3].

В настоящее время в Японии на расстоянии около 500 км от эпицентра землетрясения расположены 12 станций сети стационарных двухчастотных GPS приемников IGS (International GNSS Service) (рис. 3).

Рис. 3. Сеть станций приемников IGS в районе землетрясения

При расчете электронной концентрации и координат точек пересечения сигнала с ионосферой использовались данные со станции tskb с координатами (36,1°N; 140,1°E), принадлежащей сети стационарных двухчастотных GPS приемников IGS.

В качестве базисных функций в процессе разложения использовались ортогональные вейвлеты Добеши и «Мексиканская шляпа». Были обработаны результаты измерения за период с 4.03.2011 г. по 15.03.2011 г. с периодом 30 секунд. Результаты непрерывного вейвлет-преобразования в базисе вейвлета Добеши приведены на рис.4.

Рис. 4. Вейвлет-преобразования в базисе вейвлета Добеши

За нулевой отсчет по оси абсцисс взят момент возникновения сейсмического события 11.03.2011 г. Из рис. 4 видно, что накануне сейсмического события как за 60, так и за 12 часов наблюдаются разномасштабные аномальные эффекты.

Результаты непрерывного вейвлет-преобразования в базисе вейвлета «Мексиканская шляпа» приведены на рис.5.

Рис. 4. Вейвлет-преобразования в базисе вейвлета «Мексиканская шляпа»

Из рис.4 видно, что появляются высокочастотные составляющие с ярко выраженными максимумами по амплитуде, что объясняется резким изменением электронного содержания в ионосферном слое Земли в период сейсмической активности.

Заключение

По результатам измерений задержки распространения сигнала на трассе спутник-навигационный приемник и на основе математической конструкции вейвлет-преобразования в базисе вейвлета Добеши и «Мексиканская шляпа» была исследована динамика ионосферного процессы. Были выявлены закономерности появления высокочастотных составляющих с ярко выраженными максимумами по амплитуде в период сейсмической активности. Приведены результаты вейвлет-преобразования на примере землетрясения в Японии. Сопоставление полученных данных позволило выявить разномасштабные аномальные эффекты в ионосферном слое Земли.

Литература

1. , , . Радиосистемы межпланетных космических аппаратов. //М.: «Радио и связь», 1993, 324 с.

2. Сушкин одночастотного определения задержки сигналов навигационной спутниковой системы в ионосфере. Патент 2313103 Рос. Федерация, опубл. 20.12.2007 г.

3. URL: http://earthquake. usgs. gov/earthquakes/eqinthenews/2011/usc0001xgp/usc0001xgp. php