[論文レビュー] Magnetospheric disturbances, and the GPS operation

É. L. Afraimovich, O. S. Lesyuta+1 more|ArXiv.org|Sep 6, 2000

Ionosphere and magnetosphere dynamics参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、地球磁気ストーム中の磁気圏乱動がGPS信号の整合性に与える影響を、世界中のGPS受信機ネットワークを通じて位相スリップ密度を分析することによって調査している。その結果、ストーム中には中低緯度での位相スリップ率が1〜2桁増加し、太陽側の衛星では位相スリップ率が5〜10倍にまで上昇することが判明した。これは、信号の散乱を引き起こす電離圏不規則体と強く相関している。

ABSTRACT

We have investigated a dependence of the relative density of phase slips in the GPS navigation system on the disturbance level of the Earth's magnetosphere. The study is based on using Internet-available selected data from the global GPS network, with the simultaneously handled number of receiving stations ranging from 160 to 323. The analysis used four days from the period 1999-2000, with the values of the geomagnetic field disturbance index Dst from 0 to -300 nT. During strong magnetic storms, the relative density of phase slips on mid latitudes exceeds the one for magnetically quiet days by one-two orders of magnitude as a minimum, and reaches a few and (for some of the GPS satellites) even ten percent of the total density of observations. Furthermore, the level of phase slips for the GPS satellites located on the sunward side of the Earth was by a factor of 5-10 larger compared with the opposite side of the Earth. The high positive correlation of an increase in the density of phase slips and the intensity of ionospheric irregularities during geomagnetic disturbances as detected in this study points to the fact that the increase is slips is caused by the scattering of the GPS signal from ionospheric irregularities.

研究の動機と目的

• 磁気圏乱動がGPS信号の整合性、特にナビゲーション解における位相スリップに与える影響を評価すること。
• DSTおよびKp指数で測定されるgeomagnetic活動レベルと、世界中のGPS受信機ネットワークにおける位相スリップ密度の相関関係を定量化すること。
• 地球の磁気圏の日光側と反日光側における位相スリップ発生の空間的非対称性を調査すること。
• 磁気ストーム中に増加する位相スリップの主な原因が電離圏不規則体であるかどうかを特定すること。
• これらの影響が高精度GPS応用およびグローバルモニタリングシステムに与える運用的影響を評価すること。

提案手法

• インターネット経由で160〜323か所の世界中分散受信機から得られるリアルタイムGPSデータを、GLOBDETグローバル検出システムで処理した。
• 位相スリップをL1-L2位相差で測定した。これは群遅延測定よりも信号劣化に対して感受性が高いためである。
• ストーム強度の影響を評価するため、位相スリップ密度をDST（−300〜0 nT）およびKp（2〜9）のgeomagneticインデックスと相関させた。
• 静穏時と乱動時の両方の状態において、位相スリップの時間的・空間的パターンを、経度および地方時ごとに分析し、比較した。
• 二重周波数GPS測定から導出されたTEC（全電子含量）データを用いて、電離圏不規則体活動を補足的検証した。
• 相対的位相スリップ密度を計算するため、統計的フィルタリングと正規化処理を施し、観測間隔ごとに実施。これにより、異なるサイト間および異なる日付間での比較が可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 geomagnetic乱動度（DSTおよびKpインデックス）が上昇するに従い、GPSシステムにおける位相スリップの相対的密度はどのように変化するか？
• RQ2 地球の磁気圏の日光側と反日光側におけるGPS衛星の間で、位相スリップ発生に空間的非対称性が見られるか？
• RQ3 磁気ストーム中、増加する位相スリップはどの程度電離圏不規則体と相関しているか？
• RQ4 なぜL1-L2位相スリップはL1のみの位相測定よりも擾乱に対して感受性が高いか？
• RQ5 磁気ストーム中、位相スリップを引き起こす主な物理的メカニズムとして電離圏不規則体を特定できるか？

主な発見

• 主要な磁気ストーム時には、中低緯度における位相スリップの相対的密度が静穏日水準を1〜2桁上回った。
• 激しいストーム時には、特定のGPS衛星で位相スリップ密度が全観測の最大10％に達した。これは深刻な信号劣化を示している。
• 地球の日光側に位置するGPS衛星では、反日光側の衛星と比較して位相スリップ率が5〜10倍にまで上昇した。
• 位相スリップ密度と電離圏不規則体の強度との間に強い正の相関が認められ、小スケールF2層不規則体による信号散乱が主な原因であると示唆された。
• L1-L2位相スリップ率はL1のみのスリップよりも顕著に高かった。これは、補助周波数（f₂ = 1227.60 MHz）での劣化が主な要因であり、その周波数は送信電力が低いために起因すると考えられる。
• 位相スリップは赤道および極域で最も顕著に現れ、中緯度での増加は、ストーム強化不規則体がこれらの地域へ拡散することに起因していると考えられる。