Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2024, № 8 · RADIO ELECTRONICS RELATED PROBLEMS

Peculiarities of description of ionospheric irregularities in high latitudes using ROTI based on GPS and Transit/Parus navigation systems data

A.M. Padokhin1,2,3, E.S. Andreeva1, M.O. Nazarenko1, A.V. Karlysheva1, I.A. Pavlov1,2,3, G.A. Kurbatov1

1 Lomonosov Moscow State University, Faculty of Physics, Moscow, Russia
2 Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation, Troitsk, Russia
3 Institute of Solar-Terrestrial Physics, Irkutsk, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2024.8.7 UDC 550.388.2 EDN MAVHQY

Abstract

The paper compares the possibilities for describing high latitude ionospheric irregularities with characteristic horizontal scales of several tens of kilometers with ROTI index, based on the reception of GPS and Parus/Transit signals. It is shown that in the case of GPS, the maximum ROTI values are observed in the regions of the auroral oval and polar cap, while for Parus/Transit there is an additional region associated with the field aligned enhancement of phase and TEC fluctuations for observations in the direction of the magnetic zenith. Such differences are associated with the inclinations of the orbits of low-orbit (Parus/Transit) and medium-orbit (GPS) satellites, the latter of which does not effectively scan the magnetic zenith region for receivers located at high latitudes. In addition, there are significant, up to 2 times, differences in the ROTI index values according to GPS and Parus/Transit data, which is associated with different speeds of movement of satellite ionospheric piercing points and their mutual orientation with the plasma drift speed in high latitudes, which can lead to a mismatch in the characteristic horizontal scales of irregularities to which the ROTI index demonstrates maximum sensitivity.

  • ionosphere
  • irregularities
  • gps
  • Parus
  • transit
  • Tec
  • Roti
Аннотация (на русском)

Особенности описания ионосферных неоднородностей высоких широт с помощью ROTI индекса по данным навигационных систем GPS и Transit/Парус

В работе приводится сопоставление возможностей описания ионосферных неоднородностей высоких широт с характерными горизонтальными масштабами несколько десятков километров на основе ROTI индекса, построенного по данным радиопросвечивания сигналами GPS и Парус/Transit. Показано, 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 ракурсным усилением флуктуаций фазы и TEC при наблюдении в направлении магнитного зенита. Такие отличия связаны с наклонениями орбит низкоорбитальных (Парус/Transit) и среднеорбитальных (GPS) спутников, последние из которых не позволяют эффективно просвечивать область магнитного зенита для приемников, расположенных в высоких широтах. Кроме того, наблюдаются значительные, до 2х раз, отличия в значениях ROTI индекса по данным GPS и Парус/Transit, что связано с различными скоростями движения подионосферных точек спутников и их отношением к скорости дрейфа плазмы в высоких широтах, что может приводить к рассогласованию характерных горизонтальных масштабов неоднородностей, к которым ROTI индекс демонстрирует максимальную чувствительность.

For citation

Padokhin A.M., Andreeva E.S., Nazarenko M.O., Karlysheva A.V., Pavlov I.A., Kurbatov G.A. Peculiarities of description of ionospheric irregularities in high latitudes using ROTI based on GPS and Transit/Parus navigation systems data // Journal of Radio Electronics. – 2024. – No. 8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.8.7

References

  1. Keskinen M. J., Ossakow S. L. Theories of high-latitude ionospheric irregularities: A review // Radio science. - 1983. - Т. 18. - №. 06. - С. 1077-1091.
  2. Tsunoda R. T. High-latitude F region irregularities: A review and synthesis // Reviews of Geophysics. - 1988. - Т. 26. - №. 4. - С. 719-760.
  3. Phelps A. D. R., Sagalyn R. C. Plasma density irregularities in the high-latitude top side ionosphere // Journal of Geophysical Research. - 1976. - Т. 81. - №. 4. - С. 515-523.
  4. Tereshchenko E. D. et al. Statistical tomography of subkilometer irregularities in the high-latitude ionosphere // Radio Science. - 2004. - Т. 39. - №. 1. - С. 1-11.
  5. Tereshchenko E. D. et al. Anisotropy of ionospheric irregularities determined from the amplitude of satellite signals at a single receiver // Annales Geophysicae. - Göttingen, Germany: Springer Verlag, 1999. - Т. 17. - №. 4. - С. 508-518.
  6. Jacobsen K. S., Dähnn M. Statistics of ionospheric disturbances and their correlation with GNSS positioning errors at high latitudes // Journal of Space Weather and Space Climate. - 2014. - Т. 4. - С. A27.
  7. Pi X. et al. Monitoring of global ionospheric irregularities using the worldwide GPS network // Geophysical Research Letters. - 1997. - Т. 24. - №. 18. - С. 2283-2286.
  8. Juan J. M. et al. AATR an ionospheric activity indicator specifically based on GNSS measurements // Journal of Space Weather and Space Climate. - 2018. - Т. 8. - С. A14.
  9. Padokhin A. M. et al. Application of BDS-GEO for studying TEC variability in equatorial ionosphere on different time scales // Advances in Space Research. - 2019. - Т. 63. - №. 1. - С. 257-269.
  10. Luo X. et al. Local ionospheric plasma bubble revealed by BDS Geostationary Earth Orbit satellite observations // GPS Solutions. - 2021. - Т. 25. - №. 3. - С. 117.
  11. Yeh K. C., Liu C. H. Radio wave scintillations in the ionosphere // Proceedings of the IEEE. - 1982. - Т. 70. - №. 4. - С. 324-360.
  12. Carrano C. S., Groves K. M., Rino C. L. On the relationship between the rate of change of total electron content index (ROTI), irregularity strength (CkL), and the scintillation index (S4) // Journal of Geophysical Research: Space Physics. - 2019. - Т. 124. - №. 3. - С. 2099-2112.
  13. Hofmann-Wellenhof B., Lichtenegger H., Wasle E. GNSS-global navigation satellite systems: GPS, GLONASS, Galileo, and more. - Springer Science & Business Media, 2007.
  14. International GNSS Service: база данных GPS, ГЛОНАСС: сайт. - USA, Pasadena, 2024. - URL: www.igs.org
  15. Kersley L. et al. Radio tomographic imaging of the northern high-latitude ionosphere on a wide geographic scale // Radio science. - 2005. - Т. 40. - №. 05. - С. 1-9.
  16. Cherniak I., Zakharenkova I., Krankowski A. IGS ROTI Maps: current status and its extension towards equatorial region and Southern Hemisphere // Sensors. - 2022. - Т. 22. - №. 10. - С. 3748.
  17. Kunitsyn V. E. et al. Transcontinental radio tomographic chain: First results of ionospheric imaging // Moscow University Physics Bulletin. - 2009. - Т. 64.