Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. На основе разработанного фазоразностного метода построения двухслойных глобальных и региональных карт полного электронного содержания (ПЭС) ионосферы по данным ГНСС проведено исследование вариаций глобального (GEC), ионосферного (IEC) и плазмосферного (PEC) электронного содержания. Показано, что в вариациях IEC наравне с периодиками, связанными с вариациями солнечной активности, присутствует полугодовая периодика, связанная с циркуляцией нейтральной компоненты верхней атмосферы, которая не проявляется в вариациях PEC. Для эталонных геомагнитных бурь, время восстановления IEC и PEC до невозмущенных значений может значительно отличаться, при этом возмущения IEC и PEC в средних и высоких широтах может отличаться знаком. 2. Изучение глобального электронного содержания GEC по данным операционных моделей GPS, BeiDou, Galileo (модели Клобучара, BDGIM и NeQuick-G, соответственно) показало, что модель NeQuick-G может быть использована в приложениях, требующих оперативной оценки GEC. Модель BDGIM дает сопоставимые результаты, но с большей дисперсией. Модель Клобучара дает существенно смещенные оценки GEC. Модель BDGIM требует улучшений в части надежного воспроизводства амплитуд 27-дневных и полугодовых вариаций GEC. 3. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для распределенного сбора исходных данных ГНСС для расчета глобальных ионосферных карт. Проведенные тесты показали, что скорость сбора данных линейно зависит от количества узлов и может обеспечить заявленные в проекте научные задачи. 4. Проведены работы по развертывания программно-аппаратной инфраструктуры, которая позволяет балансировать нагрузку между различными частями системы без необходимости остановки расчетных модулей и позволяющая избегать конфликтов различных блоков. Аппаратная часть системы включает в себя два узла оснащенных графическими картами (GPU) для создания моделей машинного обучения. 5. Проводились работы по автоматизации анализа временных рядов ПЭС и производных от него данных, таких как ROTI и вариаций ПЭС, в результате чего создано приложение (https://spitec.simurg.space/), позволяющее сохранять, накапливать и делиться размеченными данными. 6. Проводилась разработка программного обеспечения для сбора и предоставления пользователю индексов геомагнитной и солнечной активности. Созданный микросервис обеспечивает данными модели машинного обучения, разработанные в других частях проекта (пример использования API: https://services.simurg.space/swis/F107/get_data?start_date=2024-11-01&end_date=2024-11-30&stage=nowcast). 7. Проведено сопоставление возможностей описания ионосферных неоднородностей на высоких широтах с характерными горизонтальными масштабами порядка десятков километров на основе индекса ROTI, построенного по данным радиопросвечивания сигналами GPS и Парус/Transit. Обнаружено, что если в случае с GPS максимальные значения ROTI наблюдаются в областях аврорального овала и полярной шапки, то для Парус/Transit присутствует дополнительная область, связанная с усилением флуктуаций фазы и полного электронного содержания при наблюдении в направлении магнитного зенита. Выявлено двухкратное отличие в значениях ROTI по данным GPS и Парус/Transit вследствие различных скоростей движения подионосферных точек спутников. 8. Разработан фреймворк для анализа ионосферных возмущений, генерирующихся во время пролетов космических аппаратов на примере пролета Startship с носителем SuperHeavy (https://github.com/gnss-lab/studies), что позволило оперативно получать информацию об ионосферных эффектах на такие события. Проведен анализ ионосферных возмущений возникающих вследствие запуска Starship 18 ноября 2023 г. Показано, движение Starship сопровождалось волнообразными возмущениями, фронт которых формировал конус ударной волны. Обнаружена нетипичная асимметрия север-юг в характере распространения волн: волновые возмущения более эффективно распространялись в северном направлении, чем в южном, что противоречит результатам других исследований. Обнаружено, что взрыв Starship сопровождался провалом в концентрации ионосферной плазмы (ионосферной дырой) вследствие воздействия ударной волны, а не вследствие химических реакций. 9. Проведены работы по созданию новых моделей прогноза глобального распределения ПЭС с использованием машинного обучения (в том числе с использованием градиентного бустинга, полносвязных нейронных сетей, рекурентных нейронных сетей с ячейками LSTM) на горизоны 1, 3, 7, 30, 180 дней на основе данных F10.7. Разработанные модели значительно превосходят по характеристикам классические модели типа IRI-2016, Клобучара, GEMTEC. 10. Проведены работы по прогнозированию глобального и регионального распределения индекса возмущенности ионосферы. Полученные предварительные результаты по прогнозированию распределения ROTI указывают на необходимость поиска новых путей к моделированию. 11. Исследованы свойства новых навигационных сигналов Galileo E5 и BeiDou B2 с модуляцией AltBOC. Показано, что шумы ПЭС одночастотной комбинации фазы и кода AltBOC-сигналов сопоставимы с шумами двухчастотной комбинации фаз BPSK/QPSK-сигналов. На примере солнечных радиовспышек показано, что новые навигационные сигналы с модуляцией AltBOC более подвержены влиянию радиопомех, чем сигналы с модуляцией QPSK, но несмотря на это обеспечивают лучшее соотношение сигнал/шум. 12. По результатам обработки и анализа сигнальных компонент в период с 29 февраля по 6 марта 2024 г на пункте ACRG (США) установлено, что минимальная плотность сбоев измерений псевдофазы несущей и кодовой псевдозадержки по сигналам BeiDou могут отличаться от единиц и долей процента (компонента C2I, C7I, C8X) до 25-35 % (компоненты C1P, C5P). При наблюдении сигналов Galileo эта разница намного существеннее: в 2.5-4 раза (компоненты C1C, С5Q, C6C) и 30-40% (компоненты C7Q, C8Q). 13. Выполнена теоретическая работа по обоснованию метода выделения шумовой составляющей измерений кодовой псевдозадержки из ГНСС данных с достаточной частотой регистрации измерений. В основе метода лежит использование физической модели дальномерных измерений, в которой вторая производная является величиной, преимущественно зависимой от некоррелированных шумов и погрешностей измерения дальности. 14. Определены требования к минимально необходимой частоте регистрации измерений, которой достаточно выделения некоррелированных шумов измерений из полного набора наблюдения псевдофазы и кодовой псевдозадержки. По результатам обработки и анализа массива измерений с частотой регистрации 50 Гц и 100 Гц в условиях магнитных бурь показано, что характеристики шумов измерений кодовой псевдозадержки перестают заметно реагировать на возмущения в ионосфере при частоте регистрации измерений от 10 до 25 Гц. Все запланированные работы выполнены. Членом коллектива подготовлена и представлена к защите кандидатская диссертация.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В 2025 г. при выполнении проекты были проведены следующие работы: 1. Проведены расчеты банка данных глобальных карт полного электронного содержания (ПЭС) и создано программное обеспечение регулярного автоматического пополнения банка данных для двухслойной модели ионосферы (плазмосфера и ионосфера). Разрабатывались методы регионального картирования распределения ПЭС для областей с развитыми сетями наземных приемных пунктов на основе кригинга. Проведен пространственный корреляционный анализ поля ПЭС в европейском регионе. Проработана возможность использования специфических для ГНСС-метрик. 2. Проведена модернизация моделей машинного обучения (XGBDT, NN, LSTM) для прогноза глобальных карт ПЭС с целью минимизации количества входных параметров для разных горизонтов прогноза (1, 3, 7, 30, 60, 180 дней). Определены унифицированные критерии качества и протокол дообучения моделей. Проанализировано прогнозирование управляющих параметров моделей машинного обучения вместо прогноза целевого параметра. Изучено пространственное распределения ошибок прогноза. Доработан сервис предоставления прогнозных данных ПЭС. Исследованы особенности оценки глобального электронного содержания ионосферы на основе операционных моделей Клобучара, BDGIM и NeQuickG. 3. Создан метод для автоматизированного получения датасета для модели машинного обучения для границы аврорального овала ионосферных неоднородностей по данным ROTI. Исследовано влияние геомагнитных бурь классов G4/G5 25 солнечного цикла на ионосферу, смещение областей повышенного индекса ROTI и качество высокоточного позиционирования (kinematic precies point positioning). Изучен эффект ракурсного усиления индекса ROTI при наблюдении в окрестностях магнитного зенита для спутников GPS и ГЛОНАСС. 4. Накоплен банк данных и разработано программное обеспечение для анализа качества, статистических и спектральных характеристик измерений фазы и кодовой дальности сигнальных компонент ГНСС GPS, Galileo, BeiDou, ГЛОНАСС, QZSS и SBAS, зарегистрированных с высоким временным разрешением. Проведен анализ логарифмического спектра погрешностей измерения фазы и кодовой псевдодальности для различных сигнальных компонент ГНСС GPS, Galileo, BeiDou, ГЛОНАСС, QZSS и SBAS, проанализирована форма и состав временных рядов второй и третьей производной фазы и кодовой псевдодальности. Проведен анализ параметров эллипса рассеивания погрешностей позиционирования при заданной доверительной вероятности для построения индикатора превышения предельно допустимой погрешности позиционирования в текущей точке траектории движения на плоскости для заданной категории пользователей ГНСС. Апробирована методика выделения дальномерных погрешностей ионосферных мерцаний, многолучевости и шумов из измерений фазы и кодовой псевдодальности. 5. Разработаны подходы для расчета карт полного электронного содержания с использование распределенных вычислений. Разработан фреймворк обучения моделей машинного обучения (LSTM, XGBDT, NN) для прогноза карт ПЭС на различных горизонтах. Получены следующие результаты: 1. Создан автоматически пополняемый банк данных глобальных карт ПЭС, карт ионосферного и плазмосферного электронного содержания (https://gim.simurg.space) и предложен новый формат их хранения. Разработаны методы регионального картирования распределения ПЭС. Получено, что пространственный корреляционный масштаб поля ПЭС в европейском регионе меняется в достаточно широких пределах от 1000 до 4000 км и имеют сезонную динамику и анизотропию, связанную с горизонтальной компонентой магнитного поля и направлением нейтрального ветра. 2. Предложен новый подход, созданы модели прогнозирования ПЭС на основе машинного обучения и разработан публично доступный сервис (https://forecasting.iszf.irk.ru/tec/gim). Показано, что функциональная зависимость ошибки от индекса F10.7 отсутствует, а увеличение индекса геомагнитной активности Kp приводит к увеличению ошибок как референсных моделей, так и моделей машинного обучения; наибольшая ошибка наблюдается в гребнях экваториальной аномалии. В качестве альтернативного подхода к прогнозу глобальных карт ПЭС предложен прогноз управляющих параметров модели. Показано, что операционные модели NeQuickG и BDGIM могут быть использованы в приложениях, требующих оперативной калибровки по полному числу электронов, а модель Клобучара дает существенно смещенные оценки. 3. Получен датасет для построения модели детектирования аврорального овала ионосферных неоднородностей. Установлено, что во время главной фазы геомагнитной бури происходит интенсификация индекса ROTI (до 2 TECU/мин) и его смещение (вслед за смещением аврорального овала) в экваториальном направлении и расширение области наблюдения высоких значений до 30° с.ш. в американском секторе и до 45° с.ш. в европейско-азиатском секторе. В это же время 3D-ошибки позиционирования увеличиваются в 1.5-5 раз в пределах аврорального овала. Обнаружено пересечение экваториальных и высокоширотных структур во время геомагнитных бурь 10-11 мая 2024 г. и 10-11 октября 2024 г. Показано, что для низкоорбитальных полярных спутниковых радиомаяков всегда наблюдается область ракурсного усиления индекса ROTI со значениями в 3-5 раз превышающими типично наблюдаемые для среднеорбитальных спутников ГНСС. 4. Разработан метод и программное обеспечение для оценивания статистических характеристик шумовых и флуктуационных погрешностей кодовых и фазовых дальномерных измерений. Разработан и апробирован по результатам моделирования комбинированный метод оперативного прогнозирования погрешностей определения координат и контроля доступности требуемых навигационных характеристик в режиме позиционирования стандартной и высокой точности для транспортного объекта, движущегося по жестко заданной траектории, определяемой цифровой картой пути и сплайн-интерполяционной функцией на плоскости. 5. Создана распределенная система расчета карт полного электронного содержания из данных ГНСС-измерений, которая позволяет существенно уменьшить время получения результатов, а также фреймворк для автоматизации обучения моделей машинного обучения (LSTM, XGBDT, NN) для прогноза карт ПЭС на различных горизонтах (1, 3, 7, 30, 60, 180 дней). Полученные ожидаемые оценки точности таких моделей на всей доступной истории данных. 6. Опубликованы 8 работ, в том числе 3 в журналах Q1, представлен 21 доклад на научных мероприятиях.