CC BY
41
Скрипачев В.О.1, Назаренко А.С.2, Пирхавка А.П.3, Полушковский Ю.А.4, Яковлев О.В.5
1 Московский государственный технический университет МИРЭА, г. Москва, ст. преподаватель, skripatchevv @ inbox. ru 2 Московский государственный технический университет МИРЭА, г. Москва, магистрант 3 Московский государственный технический университет МИРЭА, г. Москва, доцент 4 Московский государственный технический университет МИРЭА, г. Москва, ст.
преподаватель
5 Вычислительный центр РАН им. А.А. Дородницына, г. Москва, д.т.н., с.н.с
Комплексирование информационных ресурсов для мониторинга ионосферы
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Ионосфера, программирование, обработка данных, глобальные навигационные спутниковые системы, радиотехнические системы, радиопередатчики.
АННОТАЦИЯ
В статье обсуждается необходимость мониторинга состояния ионосферы. Приведены особенности технологий мониторинга по характеристикам глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) и по характеристикам сигналов СДВ-радиопередатчиков. Рассматриваются особенности
разработанного программного обеспечения.
Диагностика состояния ионосферы необходима для решения различных прикладных задач. Особенно она важна в связи с развитием наземных и спутниковых телекоммуникационных систем, поскольку через нее проходят радиосигналы, обеспечивающие [1-3]:
- связь между космическими аппаратами (КА);
- управление КА;
- навигационно-временное обеспечение по сигналам ГНСС;
- передачу данных с борта КА.
Общеизвестно влияние физических свойств ионосферы, особенно слоя F2 на высотах 250-400 км, на характеристики сигналов навигационных космических аппаратов (НКА) (затухание уровня сигналов, задержка времени распространения и др.).
Соответственно без знания состояния ионосферы невозможно внесение соответствующих поправок или рекомендаций в целях повышения эффективности КА и систем связи.
При осуществлении радиосвязи радиоволны распространяются, как правило, в волноводе, ограниченным поверхностью Земли и ионосферой.
Важнейшими параметрами при этом являются максимально применимая (МОТ) и наименее применимая частоты ^ОТ). Максимально применимая частота - зависит от электронной плотности в F-слое ионосферы и угла падения радиоволн. Указанные параметры меняются в следствие солнечно-земных связей. Значение наименее применимой частоты зависит от степени поглощения радиоволн в нижней ионосфере ф и Е - слои ионосферы), подверженной влиянию солнечных вспышек, что может привести к эффекту замирания сигналов в КВ радиодиапазоне (рис.1).
Время,ч
Рис.1. Окно используемых частот Знание состояния ионосферы дополнительно может обеспечить информацию о наличии возмущений геосфер, в частности повышенной сейсмической активности, извержений вулканов [4].
Поэтому актуальным является ознакомление учащихся радиотехнических специальностей с методами и технологиями приема и обработки данных, отражающих сведения о состоянии ионосферы.
Одним из видов информационных ресурсов о состоянии ионосферы, могут быть данные о характеристиках навигационных сигналов ГНСС GPS, ГЛОНАСС, GALILEO и др.
ГНСС изначально были предназначены для решения прикладных задач, связанных с навигационно-временным определением [5]. Вместе с тем, область применения ГНСС может быть расширена за счет информационного ресурса, обусловленного использованием как орбитального, так и наземного сегментов. В настоящее время измерения,
получаемые с их помощью, широко используются при выполнении исследований ионосферы и тропосферы.
Скорость распространения радиоволны в ионосфере зависит от полного электронного содержания - TEC (Total Electron Concentration),
которое может быть определено как
ТЕС = ^ Tie(s)c?s
Где ne(s) - концентрация электронов в ионосфере вдоль пути распространения сигнала от спутника S к приемнику P. Из приведенного уравнения следует, что чем ближе НКА к зениту, тем меньше длина пути через ионосферу. Следовательно, TEC имеет наименьшее значение в вертикальном направлении (Vertical TEC). Кроме того, концентрация электронов зависит от угла возвышения НКА, географического положения приемника, времени суток, активности Солнца.
Учитывая, что доступ к данным наземной навигационной аппаратуры в большинстве случаев свободный, то их использование в научных и учебных целях не вызывает затруднений ни в организационном, ни в техническом отношении. Так, сбор данных, необходимых для исследования ионосферы может осуществляться путем взаимодействия с серверами различных геодезических сетей, например, сеть International GNSS Service (http://igscb.jpl.nasa.gov), предоставляющая данные, содержащие характеристики сигналов GPS/ГЛОНАСС.
Информацию о координатах зарегистрированных GPS-приемников можно получить по адресу: http://lox.ucsd.edu/cgi-bm/allCoords.cgi. Станции наблюдений IGS ежечасно передают файлы данных в центры накопления данных. Как правило, файлы данных представляют собой формат RINEX (Receiver Independent Exchange Format), но могут быть записаны и в собственных бинарных форматах, характерных для каждой компании-разработчика приемников ГНСС GPS/ГЛОНАСС. Формат RINEX, разработан Астрономическим институтом Бернского университета, и он позволяет хранить и передавать промежуточные измерения произведенные приемником, а также проводить постобработку полученных данных различными приложениями.
Внутренняя структура RINEX-файлов, в которых содержатся данные о характеристиках сигналов ГНСС известна. RINEX-файл содержит измеренные GPS-приемником параметры сигналов всех НКА, находящихся в зоне радиовидимости приемника: альманах созвездия НКА, значения фазы для одной или обеих несущих частот, значения псевдодальности, метки времени, сведения о работоспособности бортовой аппаратуры НКА и др. В отдельный навигационный RINEX-файл объединяются эфемериды НКА, необходимые для вычисления их координат.
В настоящее время наиболее распространена версия 2.11 формата RINEX, в которой содержатся данные о псевдодальности, фазе несущей и доплеровском сдвиге частот для ГНСС GPS и ГЛОНАСС.
Для обработки данных в формате RINEX авторами разработано программное обеспечение, основой которого является библиотека GPS Toolkit (http://www.gpstk.org), представляющая собой набор классов, базирующихся на стандарте ISO C++ для работы с данными ГНСС GPS/ГЛОНАСС, что позволяет использовать ее на разных платформах. Классы построены по модульному принципу с расширением их возможностей за счет широкого применения концепций объектно-ориентированного программирования.
Набор классов GPSTk, а также вспомогательных утилит и приложений, обеспечивает широкий спектр готовых решений для задач, связанных с ГНСС, в том числе обработку и использование данных в стандартных форматах, таких как RINEX [6].
При описании используемых частотных поддиапазонов НКА ГЛОНАСС в программном обеспечении используется XML файл, для обработки которого использовалась программная библиотека TinyXML (http: //www.grinninglizard.com / tinyxml / index.html).
Применение библиотеки TinyXML позволило преобразовать данные, хранимые в XML файле в объекты С++ и в последующем манипулировать ими в программном коде.
Для визуализации как исходных, так и рассчитанных данных, а также построения графического интерфейса (GUI) использован кроссплатформенный фреймворк Qt [7], отличительной особенностью которого является возможность создания системы предварительной обработки исходного кода - Meta Object Compiler. С использованием средств фреймворка Qt, разработанное программное обеспечение позволяет визуализировать подспутниковые траектории НКА GPS/ГЛОНАСС, измеренные характеристики сигналов ГНСС и рассчитанные значения TEC.
Второй информационный ресурс о состоянии ионосферы, основан на методике анализа характеристик СДВ-радиосигналов, принимаемых наземными приемниками. Источником сигналов является мировая сеть СДВ-радиопередатчиков, работающих в диапазоне частот 10...50 кГц. Высота отражения сигнала и степень его поглощения (затухания) ионосферой определяется различными гелиогеофизическими факторами, что проявляется в характеристиках принимаемого сигнала.
Методика заключается в приеме наземным радиоприемником сигнала СДВ сигнала радиопередатчика, отраженного от слоев Е и D ионосферы. В качестве аналогово-цифрового преобразователя, как правило, использована звуковая карта ПЭВМ с частотой дискретизации не менее 96 кГц.
Экспериментально установлено, что среднесуточный объем данных по наблюдениям сигналов от ~25 постоянно работающих СДВ-радиопередатчиков мировой сети может составить несколько сот мегабайт, что обусловливает необходимость применения современных информационных технологий для сбора и обработки результатов
наблюдения.
Для обработки данных СДВ-радиосигналов авторами разработано программное обеспечение, выполняющее функции:
- корректировка конфигурационного файла с добавлением новых частот для диагностики возможного расширения спектра;
- селекция данных по частотам;
- слияние в один файл данных измерений по частотам в заданные интервалы времени.
- 2Б и ЗБ визуализация результатов измерений._
Рис.2. Пример ЗИ визуализации данных 10.06.2014
2014-06-10 а1 МЭС\Л/2 РНО
Рис.3. Пример 2D визуализации данных 10.06.2014
При разработке программного обеспечения обработки данных СДВ-радиосигналов также использовался фреймворк Qt. Обработанные данные позволяют оценить вариации мощности (Дб) принимаемого сигнала от любого из работающих СДВ-радиопередатчиков. При этом учитывается время восхода и захода Солнца, что позволяет судить об особенностях ионосферных процессов при прохождении линии терминатора через зону отражения СДВ-сигнала от возмущенной области ионосферы.
С помощью разработанного программного обеспечения 10.06.2014 были получены данные о появлении солнечной вспышки X-класса (рис. 2, 3). Результаты подтвердились по данным, полученным с КА GOES-15.
Комплексирование рассмотренных технологий мониторинга состояния ионосферы как с помощью ГНСС GPS/ГЛОНАСС, так и СДВ-приемников позволит студентам получить теоретические и практические навыки учета эффектов космической погоды при разработке радиотехнических систем.
Литература
1. Nathan Blaunstein, Eugeniu Plohotniuc. Ionosphere and Applied Aspects of Radio Communication and Radar. CRC Press, 2008, 600p.
2. Blaunstein N., Pulinets S.A., and Cohen Y., Computation of the Key Parameters of Radio Signals Propagating through a Perturbed Ionosphere in the Land-Satellite Channel, Geomagnetism and Aeronomy, 53, No. 2, 204-215, 2013.
3. Peter Fortescue, Graham Swinerd, John Stark. Spacecraft Systems Engineering. Wiley; 4 edition, 2011, 724p.
4. С.И. Авдюшин, Н.П. Данилкин, С.В. Журавлев, Н.М. Давыдов, В.И. Лукьященко, В.А. Шувалов, А.И. Коваленко. Исследование и отработка многофункционального радиофизического комплекса для зондирования ионосферы, поверхности и подповерхности структур Земли с борта космических аппаратов. // Космонавтика и ракетостроение. 2007. №4 (49). С.158-163.
5. Guochang Xu. GPS: Theory, Algorithms and Applications. - Springer; 2nd edition. - 2007. - 340p.
6. Brian Tolman, R. Benjamin Harris, Tom Gaussiran, David Munton, Jon Little, Richard Mach, Scot Nelsen, Brent Renfro, ARL:UT; David Schlossberg, University of California Berkeley. The GPS Toolkit - Open Source GPS Software // Proceedings of the 17th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS 2004). - Long Beach, California. -September 2004.
7. Jasmin Blanchette, Mark Summerfield. C++ GUI Programming with Qt4. - Prentice Hall, 2nd edition. -2008. - 752p.
