Комплекс определения области ионосферы с мелкомасштабными неоднородностями по данным GPS-мониторинга Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.391

КОМПЛЕКС ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЛАСТИ ИОНОСФЕРЫ С МЕЛКОМАСШТАБНЫМИ НЕОДНОРОДНОСТЯМИ ПО ДАННЫМ СРБ-МОНИТОРИНГА

© 2016 В.П. Пашинцев1, А.Ф. Чипига1, В.А. Цимбал2, М.В. Песков1

1 Северо-Кавказский федеральный университет, г. Ставрополь 2 Институт инженерной физики, г. Москва

Статья поступила в редакцию 01.11.2016

Разработана структура комплекса определения географических координат областей ионосферы с интенсивными мелкомасштабными неоднородностями электронной концентрации на основе анализа временных рядов полного электронного содержания ионосферы, полученных методом GPS-мониторинга.

Ключевые слова: спутниковая радионавигационная система, ионосфера, мелкомасштабные неоднородности, временной ряд, полное электронное содержание, двухчастотный приемник

Известно [1 - 4], что в трансионосферном радиоканале могут возникать интенсивные флуктуации фазы и амплитуды принимаемых сигналов (т.е. мерцания, замирания), которые обуславливают существенное снижение показателей качества систем спутниковой связи (ССС) и спутниковых радионавигационных систем (СРНС). Одной из причин этого является образование в ионосфере областей с мелкомасштабными неоднородностями (ММН) электронной концентрации естественного (в районах экваториальных и полярных широт) или искусственного происхождения. Поэтому актуальной задачей является мониторинг их пространственного положения для последующего прогнозирования показателей качества систем спутниковой связи и радионавигации.

Цель работы: обоснование структуры построения комплекса определения координат области ионосферы с мелкомасштабными неодно-родностями электронной концентрации на базе двухчастотного приемника GPStation-6.

Известен [5] способ пеленгации областей ионосферы, содержащих ММН искусственного происхождения, на основе расчета интенсивности Ри этих неоднородностей по результатам измерений полного электронного содержания

Пашинцев Владимир Петрович, доктор технических наук, профессор кафедры информационной безопасности автоматизированных систем. E-Mail: pashintsevp@mail. ru

Чипига Александр Федорович, кандидат технических наук, профессор, директор института информационных технологий и телекоммуникаций. E-mail: iitt.ncfu@gmail.com

Цимбал Владимир Анатольевич, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник. E-mail: asu_iif@mail.ru

Песков Марк Владимирович, аспирант. E-Mail: mvpeskov@hotmail.com

(ПЭС) Nт ионосферы двухчастотным приемником СРНС типа NovAtel GPStation-6. Интенсивность ММН определяется вариациями ПЭС, обусловленными ММН , и связана функциональной зависимостью = у , (N ), йэ,13 ) со среднеквадратическим отклонением (СКО) мелкомасштабных вариаций ПЭС , средним значением ПЭС , эквивалентной толщиной

ионосферы hэ и характерным (средним) размером мелкомасштабных ионосферных неодно-родностей 13 . Недостатком данного способа пеленгации области с ММН является низкая точность расчетов ви из-за использования приближенных постоянных значений эквивалентной

толщины ионосферы ^э и характерного размера ионосферных неоднородностей . Это обусловлено тем, что не известен способ измерения величины 1з (которая может изменяться во времени) с помощью двухчастотного приемника СРНС. Кроме того, в [5] не описаны способы измерения с помощью двухчастотного приемника СРНС

значений °душ , и ^э .

Однако в качестве основного параметра, позволяющего пеленговать область с ММН, можно использовать не интенсивность неоднородностей ри = у(оШш,(Мт),Ь,4), а СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы °душ , полученных по результатам измерений двухчастот-ным приемником ПЭС ионосферы Nт и выделения из него мелкомасштабных вариаций Д^тм . Таким образом, для решения поставленной задачи комплекс определения координат области ионосферы с ММН должен содержать блок определения СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС

ионосферы и блок определения координат данной области.

Принцип работы комплекса. Известен [1] метод мониторинга параметров ионосферы с использованием сигналов СРНС типа GPS или ГЛОНАСС. Суть метода заключается в том, что при прохождении через ионосферу радиосигнала, излучаемого с космического аппарата (КА)

СРНС на двух несущих частотах f и f возникают различные задержки AT и Ат2, а также изменения фаз Аф1 ~ Дх1 и Дф2 ~ Дт2 . Они позволяют непрерывно определять по навигационным измерениям двухчастотного приемника СРНС

значения ПЭС ионосферы NT ~ (Дф2 - Дф1) вдоль радиотрассы «КА СРНС - приемник СРНС» в любой момент времени t. Поэтому на выходе двух-частотного приемника СРНС формируются временные ряды значений ПЭС ионосферы NT (t) . Разработана методика [6], которая позволяет выделять из рядов ПЭС ионосферы NT (t) мелкомасштабные вариации ПЭС ионосферы ANTM(t) и в дальнейшем с помощью стандартной процедуры получать временные ряды СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы °antm (t). Кроме того, известны [1] формулы для расчета

географических координат подионосферной точки (ПИТ) для радиотрассы «КА СРНС - приемник

СРНС» на основе данных об угле возвышения 0с

и азимуте ас, получаемых с двухчастотного приемника СРНС.

На рис. 1 иллюстрируется принцип работы предлагаемого комплекса определения координат области ионосферы с ММН, состоящего из двухчастотного приемника СРНС, блока определения СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы и блока определения координат области ионосферы с ММН. На рис. 1 также отмечено положение двух ПИТ, соответствующих моментам пересечения радиотрассой «КА СРНС - приемник СРНС» границ области с повышенным значением СКО ПЭС. Подионосферной точкой (ПИТ) называется проекция на поверхность Земли точки пересечения радиотрассы «КА СРНС - приемник СРНС» с областью максимальной ионизации ионосферы на высоте Ьтах, формирующей основной

вклад в вариации ПЭС [1]. Моменты времени и

обозначают соответственно начальный и конечный момент пересечения радиотрассой «КА СРНС - приемник СРНС» области ионосферы с ММН электронной концентрации.

КА СРНС (У

^ fi, f2

КА СРНС (У

\ f,. f'2

Орбита КА СРНС

Ионосфера

Мелкомасштабные неоднородности электронной концентрации

Высота максимума ионизации

AzI(tM), ^Ан). AwftJ, Аф2(>,)

Az,(tr), AT2(tJ,

в(), а()

Двухчастотный приемник С РНС

Nj(t) ,

Блок определения СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы

&ANm(t)^

Блок определения координат областей ионосферы с ММН

ФПИТ (to), 1ПИТ Он). фПИТ (к),

ПИТ (н ПИТ (к

<PпwOн), ¿ПИГ^н) фПИГ(tк), ^ПшОк)

Рис. 1. Принцип работы комплекса определения координат областей ионосферы с мелкомасштабными неоднородностями

Исходными данными для определения СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы ) является временной ряд ПЭС ионосферы Ыт ) вдоль радиотрассы «КА СРНС - приемник СРНС», формируемый на выходе двухчастотного приемника СРНС (рис. 1). В общем случае ряд Nт ^) представляет собой аддитивную смесь нескольких составляющих [1, 6]:

N (t) = No (t) + AN (t) + A^n (t),

(1)

где N ) - ПЭС однородной ионосферы (фона); ДМтт (О - вариации ПЭС, обусловленные ионосферными неоднородностями; Д^тШ ^) - вариации ПЭС, обусловленные шумовой погрешностью измерений двухчастотного приемника.

В формуле (1) слагаемое Шт (/) также представляют собой сумму трёх составляющих:

ANt (t) = AN^ (t) + ANtCP (t) + ANtm (t),

(2)

h

где ДЛЖР (?), ДЛ^ (?), ДЛ^ (?) - вариации ПЭС крупного (~ 103 км), среднего (~ 102 км) и мелкого (~ 102...103 м) масштабов соответственно.

Для определения СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС (ДЛтМ (?)) ионосферы °длш разработана методика [6], включающая три этапа обработки временного ряда ПЭС Лт (?), формируемого на выходе двухчастотного приемника NovAtel GPStation-6. На первом этапе обработки производится сглаживание временного ряда Лт (?) методом простой скользящей средней с

шириной окна ?сгл1 = 60 с. В результате формируется тренд (Л(?)) = Лт0^) + ДЛ^(?) + ДЛтср(?), учитывающий изменения во времени фонового ПЭС ионосферы и вариации ПЭС, обусловленные ионосферными неоднородностями крупного и среднего масштабов. На втором этапе обработки полученный тренд

(Лт (?)} = Лт0(?) + ДЛткр (?) + ДЛтСр (?) вычитается из исходного ряда (1). В результате ряд ПЭС принимает

вид комбинации мелкомасштабных возмущений и шумов Л (?) = ДЛТМ (?) + ДЛПП (?) . Затем этот ряд вариаций сглаживается методом простой скользящей средней с окном ?сгл2 =0,1 с, что обеспечивает удаление шумовой составляющей ДЛтш (?). В результате получается ряд вариаций ПЭС Лт (?) = ДЛ?М (?), обусловленных ММН электронной концентрации. На третьем этапе обработки вычисляется СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы °длм (0 на интервале Д?ско = п Д?д = 60 с (что соответствует п = 3000 измерений при интервале дискретизации Д?д = 0,02 с).

В качестве примера на рис. 2 приведены результаты определения СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы °длш (?), полученных с помощью двухчастотного приемника NovAtel GPStation-6, размещенного в Северо-Кавказском федеральном университете (г. Ставрополь).

Рис. 2. Изменение во времени среднеквадратичного отклонения мелкомасштабных вариаций полного электронного содержания ионосферы

Из рис. 2 видно, что в период с 20.37 по 21.18 величина СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС °длш (?) в среднем возрастает почти в 2 раза (с 0,0125 до 0,025 TECU) и достигает максимального значения 0,05 ТЕШ. Это указывает на то, что радиотрасса «КА СРНС - приемник СРНС» пересекает область ионосферы с ММН электронной концентрации (рис. 1).

В соответствии с рис. 1 на основе данных о СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы Одлм (?) в блоке определения координат областей ионосферы с ММН определяются, прежде

всего, начальный

й ?,.

и конечный

й ?

моменты

времени пересечения радиотрассой «КА СРНС -приемник СРНС» области ионосферы с ММН. В

эти моменты времени (?н, ?к) СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС °длш (?) превышает

заданное пороговое значение о. Для найденных моментов времени ? = ?н и ? = ?к представляется возможным вычислить широту

Фпит (?) и долготу 1пит (?) ПИТ для определения положения и линейных размеров области ионосферы с ММН.

На основе известных [1] формул и данных об изменения угла возвышения 0с (?) и азимута

ас (?) КА, полученных по результатам обработки принятых навигационных сигналов двухчастот-ным приемником СРНС, а также заданного значения высоты максимума ионизации ^тах, определяются географические координаты ПИТ в начальный (?н) и конечный (?к) моменты времени, используя следующие зависимости:

«КА СРНС - приемник СРНС»; V - центральный угол между точкой наблюдения и ионосферной точкой, КЕ - радиус Земли.

На рис. 3 представлены результаты расчета согласно (3) изменения координат ПИТ в период

времени с начального tн до конечного момента (с 20.37 по 21.18), когда СКО вариаций ПЭС (рис. 2) превышало заданное пороговое значение

(0 > °душп = 0,02 ТЕСи. Траектория движения ПИТ (жирная линия) представляет с собой отображение на карте области ионосферы, содержащей ММН электронной концентрации.

Рис. 3. Область ионосферы с мелкомасштабными неоднородностями электронной концентрации

ФпИТ (tH,K ) =arcsin (* + y ) ; X = sin Фпрм cosV(?н,к );

У = cOs Фпрм sin ) cos ас (?н,кX

'пит (?н,к ) = 1прм + arcsin P; P = sin V(tH,K) sin ас (tH,K) sec ФпИТ (tH,K); П

v(tH,K) = -- 9с (tH,K) -arcsin q;

R

—-— cos 9с (/h, ),

RE + Ko*

(3)

где ФПИТ - географическая широта ПИТ, 1ПИТ - долгота ПИТ; Ф ПРМ, 1ПРМ - географические координаты точки наблюдения (размещения приемника СРНС); ас,9с - азимут и угол возвышения луча

Рис. 4. Структура комплекса определения координат области ионосферы с мелкомасштабными неоднородностями

Таким образом, алгоритм определения ко- GPS-мониторинга заключается в последователь-ординат областей ионосферы с ММН по данным ности следующих этапов:

1) вычисление СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы °дл1М (?);

2) сравнение СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы °длт (?) с пороговым значением Одлмп для определения начального ?н и

конечного ?к моментов пересечения радиотрассой «КА СРНС - приемник СРНС» области ионосферы с ММН;

3) определение в найденные моменты времени ?н и ?к широты фПИТ (?н,к) и долготы 1ПИТ (?н,к)

ПИТ.

Указанный алгоритм может быть реализован в структуре построения комплекса определения координат области ионосферы с мелкомасштабными неоднородностями, представленной на рис. 4.

Выводы: описанный комплекс позволяет на основе данных об изменении среднеквадра-тического отклонения мелкомасштабных вариаций полного электронного содержания ионосферы о длт (?) определить географические координаты и оценить линейные размеры области ионосферы с мелкомасштабными неоднородностя-ми электронной концентрации на радиотрассе «КА СРНС - Приемник СРНС» по результатам непрерывного определения с помощью двухчас-тотного приемника СРНС полного электронного

содержания ионосферы Лт (?), угла возвышения

0с (?) и азимута ас (?) КА СРНС.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Афраймович, Э.Л. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли / Э.Л. Афраймович, Н.П. Перевалова. - Иркутск: ГУ НЦ ВСНЦ СО РАМН, 2006. 480 с.

2. Дэвис, К. Радиоволны в ионосфере. - М.: Мир, 1973. 504 с.

3. Маслов, О.Н. Модели трансионосферных радиоканалов и помехоустойчивость систем космической связи / О.Н. Маслов, В.П. Пашинцев // Прилож. к журн. Инфокоммуникационные технологии. Вып. 4. - Самара: ПГАТИ, 2006. 357 с.

4. Пашинцев, В.П. Влияние ионосферы на характеристики космических систем передачи информации: монография / В.П. Пашинцев, М.Э. Солчатов, Р.П. Гахов. - М.: Физматлит, 2006. 184 с.

5. Пашинцев, В.П. Обнаружение и пеленгация искусственных ионосферных образований с помощью спутниковых радионавигационных систем / В.П. Пашинцев, С.А. Коваль, В.И. Стрекозов, А.В. Ляхов // Теория и техника радиосвязи. 2014. №1. С. 8893.

6. Пашинцев, В.П. Прогнозирование помехоустойчивости систем спутниковой связи и навигации по данным GPS-монигоринга ионосферы / В.П. Пашинцев, Р.Р. Ахмадеев // Электросвязь. 2015. №11. С. 58-65.

COMPLEX FOR DETECTION THE IONOSPHERE AREAS WITH SMALL-SCALE IRREGULARITIES ACCORDING TO GPS-MONITORING

© 2016 V.P. Pashintsev1, A.F. Chipiga1, V.A. Tsimbal2, M.V. Peskov1

1 North Caucasus Federal University, Stavropol 2 Engineering Physics Institute, Moscow

The structure of a complex for detection the geographical coordinates of ionosphere areas with intensive small-scale irregularities of electronic concentration on the basis of analysis the temporary ranks of full electronic contents of ionosphere received by GPS monitoring method is developed.

Key words: satellite radio navigational system, ionosphere, small-scale irregularity, time rank, full electronic contents, two-frequency receiver

Vladimir Pashintsev, Doctor of Technical Sciences, Professor at the Automated Information Security Systems Department. E-Mail: pashintsevp@mail.ru

Alexander Chipiga, Candidate of Technical Sciences, Professor, Director of the Information Technologies and Telecommunications Institute. E-mail: iitt.ncfu@gmail.com Vladimir Tsymbal, Doctor of Technical Sciences, Professor, Leading Research Fellow. E-mail: asu_iif@mail.ru Mark Peskov, Post-graduate Student. E-Mail: mvpeskov@hotmail.com