Growth of Positioning Errors with Increasing Signal Power of Global Navigation Satellite Systems

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Currently, the developers of global navigation satellite systems (GNSS) are making significant efforts to solve a number of fundamental problems. However, ignorimg by researchers the entire set of nonequilibrium physical and chemical processes occurring in the ionosphere, which affect the propagation of satellite signals, often does not allow to have a progress in their solution. In this paper, we discuss the main chemical reactions that occur in the lower ionosphere of the Earth with the participation of the Rydberg states of O2, N2, and NO molecules. An explanation of the physical reason for the time delay of the satellite signal, leading to errors in GNSS positioning, is given. A quantum approach is proposed, through which the transition from the traditional idea of the propagation of radio waves to the movement of the corresponding photons is carried out. In this case, the effective delay time in resonant photon scattering is determined by the characteristic lifetime of the intermediate autoionization states of vibrationally excited Rydberg complexes. The value of the lifetime is defined by the presence of a strong nonadiabatic coupling of the electronic and nuclear motions in the intermediate states of the complex, which does not depend on the strength of the external field created by the GNSS transmitter.

About the authors

G. V. Golubkov

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia; National Research Center “Kurchatov Institute,”, Moscow, Russia

Email: golubkov@chph.ras.ru
Россия, Москва; Россия, Москва

A. A. Berlin

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

Email: golubkov@chph.ras.ru
Россия, Москва

Yu. A. Dyakov

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia; Research Center for Environmental Changes, Academia Sinica, Taipei, Taiwan

Email: golubkov@chph.ras.ru
Россия, Москва; Тайвань, Тайбэй

I. V. Karpov

Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation, Kaliningrad Branch, Russian Academy of Sciences, Kaliningrad, Russia

Email: golubkov@chph.ras.ru
Россия, Калининград

A. A. Lushnikov

Geophysical Center, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

Email: golubkov@chph.ras.ru
Россия, Москва

I. G. Stepanov

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

Email: golubkov@chph.ras.ru
Россия, Москва

M. G. Golubkov

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

Author for correspondence.
Email: golubkov@chph.ras.ru
Россия, Москва

References

  1. Nilsson J.O., Skog I., Händel P. // Proc. 10th Intern. Conf. Inf. Sci. Signal Proc. Appl. (ISSPA 2010). IEEE, 2010. P. 324; https://doi.org/10.1109/ISSPA.2010.5605534
  2. Skog I., Händel P. // IEEE Trans. Intell. Transp. Syst. 2011. V. 12. № 4. P. 1014; https://doi.org/10.1109/TITS.2011.2126569
  3. Yang C.K., Shim D.S. // TransNav. Int. J. Marine Navigat. Safety Sea Transp. 2013. V. 7. № 2. P. 199; https://doi.org/10.12716/1001.07.02.06
  4. Radievsky A., Shagimuratov I.I., Zakharenkova I.E. // Proc. II Intern. Conf. “Atmosphere, Ionosphere, Safety”(AIS-2010). Book of Abstr / Ed. Karpov I.V. Kaliningrad: Baltic Federal University, 2010. P. 239.
  5. Stankov S.M., Jakowski N., Heise S. et al. // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2003. V. 108. № A5. P. 1164; https://doi.org/10.1029/2002JA009570
  6. Yizengaw E., Dyson P.L., Essex E.A. // Adv. Space Res. 2006. V. 38. № 11. P. 2318; https://doi.org/10.1016/j.asr.2006.09.029
  7. Kunitsyn V.E., Tereshchenko E.D. Ionospheric Tomography. Berlin, Heidelberg: Springer, 2003; https://doi.org/10.1007/978-3-662-05221-1
  8. Куницын В.Е., Терещенко Е.Д., Андреева Е.С. и др. // УФН. 2010. Т. 180. № 5. С. 548; https://doi.org/10.3367/UFNr.0180.201005k.0548
  9. Nesterov I.A., Kunitsyn V.E. // Adv. Space Res. 2011. V. 47. № 10. P. 1789; https://doi.org/10.1016/j.asr.2010.11.034
  10. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Despirak I.V. et al. // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2018. V. 180. P. 78; https://doi.org/10.1016/j.jastp.2017.12.017
  11. Afraimovich E.L., Perevalova N.P., Voyeikov S.V. // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2003. V. 65. № 11–13. P. 1245; https://doi.org/10.1016/j.jastp.2003.08.007
  12. Afraimovich E.L., Edemskiy I.K., Voeykov S.V. et al. // Ann. Geophys. 2009. V. 27. № 4. P. 1521; https://doi.org/10.5194/angeo-27-1521-2009
  13. Afraimovich E.L., Edemskiy I.K., Leonovich A.S. et al. // Geophys. Res. Lett. 2009. V. 36. № 15. L15106; https://doi.org/10.1029/2009GL039803
  14. Afraimovich E.L., Astafieva E.I., Berngardt O.I. et al. // Radiophys. Quant. Electr. 2004. V. 47. № 7. P. 453; https://doi.org/10.1023/B:RAQE.0000047237.67771.bc
  15. Голубков Г.В., Манжелий М.И., Эппельбаум Л.В. // Хим. физика. 2018. Т. 37. № 5. С. 63; https://doi.org/10.7868/S0207401X18050084
  16. Голубков Г.В., Манжелий М.И., Берлин А.А. и др. // Хим. физика. 2021. Т. 40. № 3. С. 86; https://doi.org/10.31857/S0207401X21030055
  17. Ольхов О.А., Шестаков Д.В. // Хим. физика. 2021. Т. 40. № 7. С. 85; https://doi.org/10.31857/S0207401X21070062
  18. Kim M., Kim J. // Remote Sens. 2021. V. 13. № 1. 151; https://doi.org/10.3390/rs13010151
  19. Zou X., Li Z., Wang Y. et al. // Remote Sens. 2021. V. 13. № 15. 2925; https://doi.org/10.3390/rs13152925
  20. Montenbruck O., Schmid R., Mercier F. et al. // Adv. Space Res. 2015. V. 56. № 6. P. 1015; https://doi.org/10.1016/j.asr.2015.06.019
  21. Rodriguez-Solano C.J., Hugentobler U., Steigenberger P. // Adv. Space Res. 2012. V. 49. № 7. P. 1113; https://doi.org/10.1016/j.asr.2012.01.016
  22. Sośnica K., Thaller D., Dach R. et al. // J. Geodesy. 2015. V. 89. № 7. P. 725; https://doi.org/10.1007/s00190-015-0810-8
  23. Pulinets S., Ouzounov D., Davidenko D. et al. // E3S Web Conf. 2020. V. 196. 03004; https://doi.org/10.1051/e3sconf/202019603004
  24. Bogdanov V., Gavrilov V., Pulinets S. et al. // E3S Web Conf. 2020. V. 196. 03005; https://doi.org/10.1051/e3sconf/202019603005
  25. Kintner P.M., Ledvina B.M., De Paula E.R. // Space Weather. 2007. V. 5. № 9. S09003; https://doi.org/10.1029/2006SW000260
  26. Thoelert S., Steigenberger P., Montenbruck O. et al. // GPS Solut. 2019. V. 23. № 4. 92; https://doi.org/10.1007/s10291-019-0882-7
  27. Steigenberger P., Thoelert S., Montenbruck O. // Adv. Space Res. 2020. V. 66. № 12. P. 2773; https://doi.org/10.1016/j.asr.2020.03.026
  28. Hegarty C.J. // Springer Handbook of Global Navigation Satellite Systems. Cham: Springer Intern. Publ., 2017. P. 197; https://doi.org/10.1007/978-3-319-42928-1_7
  29. Johnston G., Riddell A., Hausler G. // Springer Handbook of Global Navigation Satellite Systems. Cham: Springer Intern. Publ., 2017. P. 967; https://doi.org/10.1007/978-3-319-42928-1_33
  30. Бахметьева Н.В., Жемяков И.Н. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 10. С. 65; https://doi.org/10.31857/S0207401X2210003X
  31. Голубков Г.В., Адамсон С.О., Борчевкина О.П. и др. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 5. С. 53.; https://doi.org/10.31857/S0207401X22050053
  32. Borchevkina O.P., Adamson S.O., Dyakov Y.A. et al // Atmosphere. 2021. V. 12. № 9. 1116; https://doi.org/10.3390/atmos12091116
  33. Borchevkina O.P., Kurdyaeva Y.A., Dyakov Y.A. et al. // Atmosphere. 2021. V. 12. № 11. 1384; https://doi.org/10.3390/atmos12111384
  34. Голубков Г.В., Голубков М.Г., Манжелий М.И. // Докл. АН. 2012. Т. 447. № 5. С. 503.
  35. Куприянов А.О., Морозов Д.А. Позиционирование по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем в абсолютном режиме. М.: МИИГАиК, 2017.
  36. Golubkov G.V., Golubkov M.G., Manzhelii M.I. et al. // The Atmosphere and Ionosphere: Elementary Processes, Monitoring, and Ball Lightning / Eds. Bychkov V.L., Golubkov G.V., Nikitin A.I. N.Y.: Springer, 2014. P. 1; https://doi.org/10.1007/978-3-319-05239-7_1
  37. Голубков Г.В., Манжелий М.И., Берлин А.А. и др. // Хим. физика. 2016. Т. 35. № 1. С. 5; https://doi.org/10.7868/S0207401X16010039
  38. Kuverova V.V., Adamson S.O., Berlin A.A. et al. // Adv. Space Res. 2019. V. 64. № 10. P. 1876; https://doi.org/10.1016/j.asr.2019.05.041
  39. Su S.-Y., Tsai L.-C., Liu C.H. et al. // Adv. Space Res. 2019. V. 64. № 10. P. 2137; https://doi.org/10.1016/j.asr.2019.06.039
  40. Безуглов Н.Н., Голубков Г.В., Ключарев А.Н. // Хим. физика. 2017. Т. 36. № 12. С. 21; https://doi.org/10.7868/S0207401X17100028
  41. Golubkov G.V., Manzhelii M.I., Berlin A.A. et al. // Atmosphere. 2020. V. 11. № 6. 650; https://doi.org/10.3390/atmos11060650
  42. Поваляев А.А. Спутниковые радионавигационные системы: время, показания часов, формирование измерений и определение относительных координат. М.: Радиотехника, 2008.
  43. Иванов А.В. Нелинейная многомерная обработка сигналов спутниковых радионавигационных систем в комплексах самолетовождения. Кн. 2. М.: Радиотехника, 2013.
  44. Иванов А.В. // Радиотехника. 2014. № 7. С. 55.
  45. Степанов О.А. Методы обработки навигационной измерительной информации. С.Пб: Университет ИТМО, 2017.
  46. Кинкулькин И.Е. Глобальные навигационные спутниковые системы: алгоритмы функционирования аппаратуры потребителя. М.: Радиотехника, 2018.
  47. Радионавигационные технологии. Выпуск 8 / Под ред. Перова А.И. М.: Радиотехника, 2019.
  48. Стрелков С.П., Кондрашин К.Г., Константинова Е.А. и др. Cпутниковые системы и технологии позиционирования. Астрахань: Астраханский государственный архитектурно-строительный университет, 2020.
  49. Klobuchar J. // IEEE Trans. Aerospace Electr. Syst. 1987. V. AES-23. № 3. P. 325; https://doi.org/10.1109/TAES.1987.310829
  50. Ansari K., Bae T.S. // Intern. J. Satell. Commun. Network. 2021. V. 39. № 6. P. 626; https://doi.org/10.1002/sat.1405
  51. Liu W., Shi X., Zhu F. et al. // Adv. Space Res. 2019. V. 63. № 8. P. 2358; https://doi.org/10.1016/j.asr.2019.01.004
  52. Ho Y.H., Abdullah S., Mokhtar M.H. // Proc. 2013 IEEE Intern. Conf. Space Sci. Commun. (IconSpace). IEEE, 2013. P. 33; https://doi.org/10.1109/IconSpace.2013.6599428
  53. Clare A., Lin T., Lachapelle G. // Adv. Space Res. 2017. V. 59. № 11. P. 2740; https://doi.org/10.1016/j.asr.2016.07.002
  54. Bolla P., Borre K. // J. Geodesy. 2019. V. 93. № 3. P. 437; https://doi.org/10.1007/s00190-018-1172-9
  55. Bidikar B., Chapa B.P., Kumar M.V. et al. // Satellites Missions and Technologies for Geosciences. IntechOpen, 2020. P. 1; https://doi.org/10.5772/intechopen.92295
  56. Берестецкий Б.Н., Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Квантовая электродинамика. М.: Физматлит, 2002.
  57. Голубков Г.В., Иванов Г.К. Ридберговские состояния атомов и молекул и элементарные процессы с их участием. М.: Эдиториал УРСС, 2001.
  58. Голубков Г.В., Голубков М.Г., Манжелий М.И. // Хим. физика. 2014. Т. 33. № 2. С. 64; https://doi.org/10.7868/S0207401X14020058s
  59. Golubkov G.V., Golubkov M.G., Ivanov G.K. // The Atmosphere and Ionosphere: Dynamics, Processes and Monitoring / Eds. Bychkov V.L., Golubkov G.V., Nikitin A.I. N.Y.: Springer, 2010. P. 1;
  60. Голубков Г.В., Голубков М.Г., Манжелий М.И. // Хим. физика. 2012. Т. 31. № 2. С. 31.
  61. Голубков Г.В., Девдариани А.З., Голубков М.Г. // ЖЭТФ. 2002. Т. 122. Вып. 6. С. 1146.
  62. Голубков Г.В., Голубков М.Г. // Хим. физика. 2014. Т. 33. № 2. С. 42; https://doi.org/10.7868/S0207401X14020046s
  63. Арделян Н.В., Бычков В.Л., Голубков Г.В. и др. // Хим. физика. 2018. Т. 37. № 7. С. 59; https://doi.org/10.1134/S0207401X18070038
  64. Loi S.T., Murphy T., Cairns I.H. et al. // Geophys. Res. Lett. 2015. V. 42. № 10. P. 3707; https://doi.org/10.1002/2015GL063699
  65. Dmitriev A.V., Jayachandran P.T., Tsai L.-C. // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2010. V. 115. № A12. A12244; https://doi.org/10.1029/2010JA015380
  66. Benneke B., Seager S. // Astrophys. J. 2012. V. 753. № 2. P. 100; https://doi.org/10.1088/0004-637X/753/2/100
  67. Welch W.J., Fleming M., Munson C. et al. // Publ. Astron. Soc. Pacif. 2017. V. 129. № 974. P. 1; https://doi.org/10.1088/1538-3873/aa5d4f
  68. Alperovich L., Eppelbaum L., Zheludev V. et al. // J. Geophys. Eng. 2013. V. 10. № 2. 025017; https://doi.org/10.1088/1742-2132/10/2/025017

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (57KB)
Indexing metadata
3.

Download (65KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Г.В. Голубков, А.А. Берлин, Ю.А. Дьяков, И.В. Карпов, А.А. Лушников, И.Г. Степанов, М.Г. Голубков