Способ определения высотного профиля электронной концентрации неоднородной ионосферы

Изобретение относится к радиотехнике и геофизике, а именно к средствам мониторинга состояния ионосферы и измерения ее параметров с использованием космических аппаратов спутниковых радионавигационных систем. Достигаемый технический результат - обеспечение возможности одновременного определения высотных профилей средней электронной концентрации и среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в неоднородной ионосфере. Сущность изобретения: по принятым радиосигналам от навигационных спутников на двух когерентных частотах ƒ₁ и ƒ₂ определяется полное электронное содержание N_T в неоднородной ионосфере, вычисляется его среднее значение и определяется высотный профиль средней электронной концентрации ионосферы путем применения итерационной процедуры решения обратной задачи, потом вычисляется среднеквадратическое отклонение мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания и интенсивность неоднородностей β_и ионосферы, и затем определяется высотный профиль среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в неоднородностях ионосферы. 2 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике и геофизике, а именно к средствам мониторинга состояния ионосферы и измерения ее параметров с использованием двухчастотного приемника спутниковых навигационных систем. Подобные средства мониторинга и определения параметров ионосферы могут использоваться, например, для планирования сеансов коротковолновой радиосвязи на оптимальной рабочей частоте, а также для прогнозирования показателей качества систем спутниковой связи и навигации в условиях ионосферных возмущений.

Известен способ определения параметров ионосферы и устройство для его осуществления (Патент РФ №2421753 - [1]). Последовательность действий этого способа представлена на фиг. 1 и включает в себя:

1) прием радиосигналов от навигационных спутников на двух когерентных частотах ƒ₁ и ƒ₂;

2) определение псевдодальностей до навигационного спутника Р₁ и Р₂, измеренных на частотах ƒ₁ и ƒ₂, и соответствующих значений фаз ϕ₁ и ϕ₂ принятых радиосигналов;

3) определение разности псевдодальностей ΔР_1,2 по комбинации выполненных измерений псевдодальностей до навигационного спутника Р₁ и Р₂ и соответствующих значений фаз ϕ₁ и ϕ₂ принятых радиосигналов;

4) определение полного электронного содержания ионосферы N_T вдоль трассы «спутник-наземный пункт»;

5) определение высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) путем применения итерационной процедуры решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов и априорной информации о фоновом состоянии ионосферы. На фиг. 1 представлена последовательность действий известного способа [1].

Недостатком известного способа [1] являются его ограничения при определении высотного профиля электронной концентрации N(z) в условиях возмущений ионосферы, сопровождаемых образованием мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ΔN(z). В этом случае высотный профиль электронной концентрации ионосферы N(z) становится случайной величиной, описываемой суммой регулярной и флуктуационной составляющих . Следовательно, полное электронное содержание ионосферы N_T при ее возмущениях также будет представлять собой сумму его среднего значения и мелкомасштабных флуктуаций ΔN_T~ΔN(z). Последние характеризуются величиной среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания ионосферы , которая определяется высотным профилем среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации σ_ΔN(z) в неоднородной ионосфере.

Изменения во времени мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания ионосферы ΔN_T~ΔN(z) описываются характерным (средним) периодом флуктуаций , который может составлять от сотых долей до единиц секунд. Он намного меньше периода флуктуаций среднего значения полного электронного содержания ионосферы , обусловленных ее суточными вариациями или крупномасштабными неоднородностями электронной концентрации (величина обычно составляет несколько часов).

Очевидно, что реализованный в способе [1] алгоритм определения высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) применим только при условии t_ф>>t_p, когда период t_ф изменений ее полного электронного содержания во времени превосходит время решения t_p обратной задачи определения высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z). При этом время решения t_p составляет десятки секунд из-за использования итерационной процедуры решения обратной задачи.

Отсюда следует, что в условиях ионосферных возмущений с помощью данного способа можно определить только высотный профиль средней электронной концентрации ионосферы , который практически не изменяется в течение времени решения t_p обратной задачи, что обусловлено соотношением . Определить с помощью известного способа [1] высотный профиль среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в неоднородной ионосфере нельзя, поскольку характерный период их флуктуаций меньше времени решения обратной задачи .

Таким образом, недостатком известного способа [1] является отсутствие возможности определения высотного профиля среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации σ_ΔN(z) в неоднородной ионосфере. Знание высотного профиля средней электронной концентрации ионосферы и высотного профиля среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации σ_ΔN(z) необходимо для расчета оптимальных рабочих частот при планировании сеансов коротковолновой радиосвязи в условиях возмущений (диффузности) ионосферы.

Известно (Черенкова Л.Е., Чернышов О.В. Распространение радиоволн. - М.: Радио и связь, 1984. - 272 с.), что отношение высотного профиля среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации σ_ΔN(z) к высотному профилю средней электронной концентрации ионосферы характеризует интенсивность мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы β_и, которая на всех ее высотах z остается практически постоянной: . Поэтому существует возможность определения высотного профиля среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации σ_ΔN(z) в неоднородной ионосфере согласно выражению на основе данных об интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы β_и и высотном профиле средней электронной концентрации неоднородной ионосферы.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, реализованный в устройстве двухчастотного измерения интенсивности неоднородностей ионосферы (Патент РФ на полезную модель №108150, опубликованный 10.09.2011 - [2]). В устройстве [2] на основе вычисления величин полного электронного содержания N_T ионосферы, его среднего значения и среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания ионосферы определяется значение интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы β_и.

Недостаток устройства [2] заключается в том, что оно определяет только величину интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы β_и, но не позволяет определить высотный профиль средней электронной концентрации ионосферы и среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации σ_ΔN(z) относительно высотного профиля средней электронной концентрации ионосферы .

Устройство [2] работает следующим образом. Приемная антенна принимает электромагнитные колебания, излучаемые навигационными спутниками. С выхода приемной антенны напряжение u_ВХ(t) поступает на вход двухчастотного приемника, предназначенного для усиления и селекции принятых сигналов. С выхода двухчастотного приемника на вход аналого-цифрового процессора первичной обработки подается вектор оценки цифровых сигналов y(t_j), состоящий из сигналов j=1…n видимых навигационных спутников. Опорный генератор и синтезатор частот формирует номиналы рабочих частот ƒ₁ и ƒ₂ на входы двухчастотного приемника, аналого-цифрового процессора первичной обработки и блока вычисления полного электронного содержания N_T ионосферы. В аналого-цифровом процессоре первичной обработки реализованы схемы поиска и слежения за параметрами сигнала. С выхода аналого-цифрового процессора оценки фазового времени распространения сигнала на частотах ƒ₁ и ƒ₂ поступают на вход блока вычисления фазового пути сигнала для вычисления псевдодальностей до навигационного спутника Р₁ и Р₂. С выхода блока вычисления фазового пути сигнала значения псевдодальностей до навигационного спутника Р₁ и Р₂ поступают на вход блока вычисления полного электронного содержания N_T ионосферы. Далее с выхода блока вычисления полного электронного содержания ионосферы оценки полного электронного содержания N_T поступают на вход блока вычисления среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания ионосферы и на вход блока вычисления среднего значения полного электронного содержания ионосферы . С выходов блоков вычисления среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания ионосферы и среднего значения полного электронного содержания ионосферы значения поступают на входы блока вычисления интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы β_и. В этом блоке определяется значение интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы согласно выражению , где z_э - эквивалентная толщина ионосферы, - характерный размер мелкомасштабных неоднородностей. Рассчитанное значение интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы β_и отображается в устройстве вывода информации.

Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение возможности одновременного определения высотных профилей средней электронной концентрации ионосферы и среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации σ_ΔN(z) в неоднородной ионосфере.

Технический результат достигается благодаря тому, что на основе приема радиосигналов от навигационных спутников на двух когерентных частотах ƒ₁ и ƒ₂ и определения полного электронного содержания N_T в неоднородной ионосфере сначала вычисляется его среднее значение и определяется высотный профиль средней электронной концентрации ионосферы путем применения итерационной процедуры решения обратной задачи, потом вычисляется среднеквадратическое отклонение мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания ионосферы , и интенсивность мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы , и затем определяется высотный профиль среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в неоднородной ионосфере.

В предлагаемом способе определения высотного профиля электронной концентрации неоднородной ионосферы используются действия (из которых действия 1-4 и 6 аналогичны соответствующим пунктам патента [1]), представленные на фиг. 2, включающие в себя:

1) прием радиосигналов от навигационных спутников на двух когерентных частотах ƒ₁ и ƒ₂;

2) определение псевдодальностей до навигационного спутника Р₁ и Р₂, измеренных соответственно на частотах ƒ₁ и ƒ₂, и соответствующих значений фаз ϕ₁ и ϕ₂ принятых радиосигналов;

3) определение разности псевдодальностей ΔР_1,2 по комбинации выполненных измерений псевдодальностей до навигационного спутника Р₁ и Р₂ и соответствующих значений фаз ϕ₁ и ϕ₂ принятых радиосигналов;

4) определение полного электронного содержания ионосферы N_T вдоль трассы «спутник-наземный пункт»;

5) вычисление среднего значения полного электронного содержания ионосферы вдоль трассы «спутник-наземный пункт»;

6) определение высотного профиля средней электронной концентрации ионосферы путем применения итерационной процедуры решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов и априорной информации о фоновом состоянии ионосферы;

7) вычисление среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания ионосферы ;

8) вычисление интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы β_и;

9) определение высотного профиля среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации ионосферы σ_ΔN(z) в неоднородной ионосфере.

В предлагаемом способе определение разности псевдодальностей ΔP_1,2 по комбинации выполненных измерений псевдодальностей до навигационного спутника P₁, Р₂ и значений фаз ϕ₁ и ϕ₂ принятых радиосигналов производится следующим образом [1]: в каждый i-й момент времени после определения псевдодальностей до навигационного спутника Р₁(i) и Р₂(i), измеренных соответственно на частотах ƒ₁ и ƒ₂, и соответствующих значений фаз ϕ₁(i), ϕ₂(i) принятых радиосигналов, производится определение разности псевдодальностей ΔР_1,2 по формуле:

где М - количество временных измерений, принятых в обработку; λ₁, λ₂ - длина волны излучения соответственно на частотах ƒ₁ и ƒ₂.

Определение полного электронного содержания ионосферы N_T вдоль трассы «спутник-наземный пункт» осуществляется по формуле [1]:

где δ - погрешность фазовых измерений (реально величина погрешности в линейной мере составляет единицы миллиметров).

Рассчитанные значения полного электронного содержания ионосферы N_T(i) используются для вычисления среднего значения полного электронного содержания ионосферы: .

По результатам вычисления разности псевдодальностей ΔР_1,2 определяется высотный профиль средней электронной концентрации ионосферы путем применения известной [1] итерационной процедуры решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов и априорной информации о фоновом состоянии ионосферы.

Среднеквадратическое отклонение мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания ионосферы рассчитывается по формуле:

Вычисление интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы производится согласно выражению [2] при заданных значениях эквивалентной толщины ионосферы z_э и характерного размера мелкомасштабных неоднородностей .

Данные о высотном профиле средней электронной концентрации ионосферы и интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы β_и используются для определения высотного профиля среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации σ_ΔN(z) в неоднородной ионосфере согласно выражению .

Таким образом, благодаря заявленной совокупности существенных признаков, реализованной в разработанном алгоритме (фиг. 2), достигается технический результат изобретения, заключающийся в возможности одновременного определения высотных профилей средней электронной концентрации и среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации σ_ΔN(z) в неоднородной ионосфере.

Способ определения параметров ионосферы, заключающийся в том, что принимают радиосигналы от навигационных спутников на двух когерентных частотах и ; определяют псевдодальности до навигационного спутника Р₁ и Р₂, измеренные соответственно на частотах и , и соответствующие значения фаз ϕ₁ и ϕ₂ принятых радиосигналов; определяют разности псевдодальностей ΔР_1,2 по комбинации выполненных измерений псевдодальностей до навигационного спутника Р₁ и Р₂ и соответствующих значений фаз ϕ₁ и ϕ₂ принятых радиосигналов; определяют полное электронное содержание ионосферы N_T вдоль трассы «спутник-наземный пункт»; вычисляют среднее значения полного электронного содержания ионосферы вдоль трассы «спутник-наземный пункт»; определяют высотный профиль средней электронной концентрации ионосферы путем применения итерационной процедуры решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов и априорной информации о фоновом состоянии ионосферы; вычисляют среднеквадратическое отклонение мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания ионосферы ; вычисляют интенсивность мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы β_и и определяют высотный профиль среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации ионосферы σ_ΔN(z) в неоднородной ионосфере.