Determination of local ionospheric models for precise positioninig by global navigation satellite systems

[D. S. Petković]

XX, 284 str.

Geodezija - Teorijska i fizička geodezija / Geodesy -Theoretical and Physical Geodesy

Doktorska disertacija je posvećena određivanju lokalnih modela jonosfere za potrebe preciznog pozicioniranja globalnim navigacionim satelitskim sistemima. Takođe, disertacija je posvećena i adekvatnom kombinovanju kreiranih lokalnih modela u regionalne modele za područje teritorije Republike Srbije. Numerička istraživanja su sprovedena na osnovu velikog broja podataka opažanja GNSS prijemnika raspoređenih tako da ravnomerno pokrivaju relevantnu teritoriju od interesa u okviru odabranog vremenskog opsega koji je obuhvatio period od 28 dana. Lokalni i regionalni modeli jonosfere kreirani su na osnovu ocenjenih vrednosti totalnog sadržaja elektrona modeliranjem determinističe i stohastičke komponente. U okviru modeliranja determinističke komponente, nepoznati TEC parametri su razmatrani kao harmonijske funkcije, pa je za ocenu nepoznatih parametara jonosfere korišćena globalna sferno-harmonijska reprezentacija prilagođena lokalnoj, odnosno regionalnoj primeni. Stohastička komponenta modelirana je na osnovu ocene stohastičkih parametara jonosfere. Prilikom kreiranja modela, razmatrani su i članovi viših redova jonosferske korekcije, odnosno članovi drugog i trećeg reda, kao i član koji se odnosi na efekte savijanja signala. Validacija dobijenih rezultata izvršena je na osnovu javno dostupnih podataka u vidu globalnih jonosferskih mapa. Na osnovu rezultata validacije može se zaključiti da je saglasnost dobijenih rezultata do nivoa 5 TECU jedinica za teritoriju Republike Srbije. Na osnovu kreiranih lokalnih i regionalnih modela jonosfere izvršena je analiza modeliranog IV stohastičkog dela kreiranih modela u cilju predloga metodologije detekcije naglih promena na Suncu. Analizirano je ukupno 9 specifičnih događaja nastalih kao posledica aktivnosti Sunca u okviru izabranog vremenskog opsega - četiri geomagnetne oluje klasifikovanog intenziteta većeg od G0, kao i pet Sunčevih X flerova klasifikovanih u okviru raspona klasa od C5 do M5. Finalno, u okviru istraživanja su analizirane i promene u okviru D sloja jonosfere usled periodičnih sezonskih promena i promena tokom Sunčevog ciklusa kako bi se analizirao njihov uticaj na vrednosti totalnog sadržaja elektrona. Takođe, analiziran je i relevantan uticaj u periodima maksimalnih perturbacija izazvanih Sunčevim X flerovima. Osnovni rezultati koji proizilaze iz opisanih istraživanja su: • Na osnovu podataka prikupljenih primenom GNSS tehnologije moguće je kreirati lokalne modele jonosfere koji reprezentuju stanje jonosfere na nivou lokalnog područija od interesa; • Na osnovu kreiranih lokalnih modela je moguće adekvatnim kombinovanjem kreirati regionalne modele visoke rezolucije i tačnosti koji u određenoj meri bolje oslikavaju stanje jonosfere od javno dostupnih globalnih modela; • Regionalni modeli kreirani na prikazani način sadrže informacije o determinističkoj i stohastičkoj komponenti i kao takvi bolje oslikavaju stanje jonosfere za definisani period na koji se odnose; • Na osnovu kreiranih modela jonosfere moguće je dodatno poboljšati tačnost dobijenih koordinata tačaka dodatno oslobođenih uticaja naglih promena na Suncu; • Na osnovu podataka kreiranih lokalnih modela nije moguće detektovati nagle promene na Suncu u vidu Sunčevih X flerova; • Na osnovu stohastičkih podataka kreiranih lokalnih modela moguće je prikazati prostorno-vremenski varijabilitet jonosfere iznad relevantnog područija, ali nije moguće sa sigurnošću utvrditi poreklo uticaja uočenih varijacija imajući u vidu kompleksnost i veliki stepen zavisnosti pojava aktivnosti na Suncu i onih u okviru geomagentnog polja; • Prilikom modelovanja ukupnog TEC-a, u periodu mirnih uslova moguće je zanemariti uticaj elektronske koncentracije D sloja. Međutim, pri mirnim uslovima oko letnjeg solsticija u V periodu oko maksimuma Sunčevog ciklusa, uticaj D sloja ne mora biti zanemarljiv. U periodu maksimalnih perturbacija elektronske koncentracije u D sloju usled uticaja Sunčevih X flerova klase C5 i jačih, neophodno je uvrstiti uticaj ovog sloja prilikom modelovanja ukupnog TEC-a.

The doctoral dissertation is dedicated to the determination of local ionospheric models for precise positioning by global navigation satellite systems. Also, the dissertation is dedicated to adequately combining the created local models into regional models for the territory of the Republic of Serbia. Numerical investigations were carried out using a large number of GNSS receiver observation data distributed evenly to cover the relevant territory of interest within a selected time range of 28 days. Based on the estimated values of the total electron content, local and regional ionospheric models were created by modeling the deterministic and stochastic components. Within the modeling of the deterministic component, the TEC were treated as harmonic function, and in order to estimate unknown ionospheric parameters, the global spherical-harmonic representation was used and adapted to local and regional applications. The stochastic component was modeled based on the estimation of stochastic ionospheric parameters. During the modeling, higher-order terms of the ionospheric correction, that is, second- and third-order terms and terms related to the signal bending effect, were also considered. The validation of the obtained results was performed based on publicly available data in the form of global ionospheric maps. Based on the validation results, it can be concluded that the compliance of the obtained results is up to the level of 5 TECU units for the territory of the Republic of Serbia. Based on the created local and regional ionospheric models, an analysis of the modeled stochastic part of the created models was performed to propose a methodology for detecting sudden changes VII in the Sun. A total of 9 specific events resulting from the activity of the Sun within the selected time range were analyzed - four geomagnetic storms with a classified intensity greater than G0, as well as five Solar X flares classified within the range of classes from C5 to M5. Finally, as part of the research, changes in the ionospheric D region caused by periodic seasonal and solar cycle changes were also analyzed in order to examine their influence on the values of the total electron content. Also, the relevant influence in periods of maximum perturbations caused by the Sun’s X flares was analyzed. The following are the main results of the described research: • Based on the GNSS data, it is possible to create local ionospheric models that represent the state of the ionosphere at the level of the local area of interest; • Based on the created local models, it is possible to create regional models of high resolution and accuracy, which, to a certain extent, better reflect the state of the ionosphere than publicly available global models; • Regional models created in the shown manner contain information about the deterministic and stochastic components and, as such, better reflect the state of the ionosphere for the related period; • Based on the created ionospheric models, it is possible to additionally improve the accuracy of the estimated coordinates of points additionally freed from the influence of sudden changes in the Sun; • Based on the created local models data, it is not possible to detect sudden changes in the Sun in the form of Solar X flares; • Based on the stochastic component of created local models, it is possible to show the spatio-temporal variability of the ionosphere above the relevant area, but it is not possible to determine with certainty the origin of the influence of the observed variations, bearing in mind the complexity and high degree of dependence of the occurrences of activity on the Sun and those within the geomagnetic field; • When modeling the TEC in a period of quiet conditions, it is possible to ignore the VIII influence of the D region electron density. However, under quiet conditions around the summer solstice in the period around the maximum of the solar cycle, the influence of the D region may not be negligible. In the period of maximum perturbations of the electron density in the D region due to the influence of the Sun’s X flares of class C5 and stronger, it is necessary to include the D region influence when modeling the TEC.

GNSS, jonosfera, lokalni modeli jonosfere, globalni modeli jonosfere, TEC

GNSS, Ionosphere, Local Ionospheric Models, Regional Ionospheric Models, TEC

528.2‑853(043.3)

Tekst