CC BY
6
УДК 629.7.08
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СНС ДЛЯ АДАПТАЦИИ
ИОНОСФЕРНОЙ МОДЕЛИ
А. Л. Сидоркин*, А. С. Андронов
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: sidorkin50089@gmail.com
Поставлена задача по повышению эффективности применения спутниковых навигационных систем для адаптации ионосферной модели. Изучены проблемы адаптации ионосферной модели и рассмотрено решение данной проблемы.
Ключевые слова: ионосфера, СНС, ГЛОНАСС/GPS, радиоволны, ионы.
IMPROVING THE EFFICIENCY OF THE USE OF SATELLITE NAVIGATION SYSTEMS
TO ACCOMMODATE IONOSPHERIC MODEL
A. L. Sidorkin*, A. S. Andronov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: sidorkin50089@gmail.com
The research studies the problem of increasing efficiency of the use of satellite navigation systems to adapt ionospheric model. Studied the problem of adaptation of the ionospheric models consider the solution of the problem.
Keywords: ionospheric, SNS, GLONASS/GPS, airwaces, ions.
Атмосфера Земли оказывает значительное влияние на распространение радиоволн. Современная авиация применяет множество систем связи и систем управления движения. Все эти системы работают посредством передачи и приема радиоволн различной длины, но в основном это волны, которые зависят от ионосферы. Применительно к над горизонтным радиолокационным станциям (РЛС) диапазона это влияние главным образом сводится к эффектам рефракции и запаздывания радиосигнала, приводящих к ошибкам измерения угла места и дальности соответственно. К тому же это создает помехи в связи с воздушным судном. Поэтому необходимо повышение эффективности применения спутниковых навигационных систем (СНС) для адаптации ионосферной модели [1].
В 1901 году Гульельмо Маркони принял трансатлантический радиосигнал с помощью 152-метровой антенны в городе Сент-Джонс на острове Ньюфаундленд. Передающая станция в Корнуолл, Англия использовала очень мощный передатчик, испускавший радиоволны на частоте примерно 500 кГц. До того, как сигнал достиг Ньюфаундленда, он дважды отразился от ионосферы. Несмотря на все сомнения и кривотолки, которые вызвал эксперимент Маркони, он успешно повторил его год спустя, приняв сигнал в заливе Глэйс, Новая Шотландия, Канада.
Английский физик Оливер Хэвисайд предположил наличие ионизированного слоя в атмосфере в 1902 году. Его теория включала в себя возможность распространения радиосигнала вокруг Земли, несмотря на её кривизну.
В 1926 году шотландский физик Роберт Уотсон-Ватт ввел термин ионосфера в письме, опубликованном только в 1969 году в журнале Nature: В последнее время термины для описания слоев атмосферы, такие как 'стратосфера' и 'тропосфера' все прочнее входят в лексикон научного сообщества. Термин 'ионосфера', относящийся к области атмосферы с высокой ионизацией и
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2018. Том 2
большими длинами свободных пробегов заряженных частиц, кажется, хорошо подходит в этот ряд [2].
Ионосфера, в общем значении - это слой атмосферы планеты, сильно ионизированный, вследствие облучения космическими лучами. У планеты Земля - это верхняя часть атмосферы, состоящая из мезосферы, мезопаузы и термосферы, главным образом ионизированная облучением Солнца. Ионосфера Земли (здесь и далее речь будет идти об Ионосфере нашей планеты) состоит из смеси газа нейтральных атомов и молекул (в основном азота N2 и кислорода О2) и квазинейтральной плазмы (число отрицательно заряженных частиц лишь примерно равно числу положительно заряженных). Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров [2].
Ионосфера делится, в зависимости от плотности заряженных частиц N, на слои D, E и F. Слой D находится на высоте 60-90 км от поверхности Земли, здесь концентрация заряженных частиц не превышает 102-103 см-3 - область слабой ионизации. Основным источником ионизации являются рентгеновское излучение Солнца, метеориты, космические лучи и энергичные частицы магнитосферы (заносимые в этот слой во время магнитных бурь). Этот слой характерен снижением степени ионизации в темное время суток. Слой Е находится на расстоянии 90-120 км от поверхности Земли. Здесь плотность ионов достигает 105 см-3. В этом слое наблюдается высокая ионизация в светлое время суток, так как здесь основным источником является солнечное крат-коволновое излучение. Иногда на высотах от 100 до 110 км возникает отдельный слой Е8. Он очень тонкий (0,5-1 км), но плотный. Его высокая концентрация ионов значительно влияет на распространение средних и даже коротких радиоволн, отражающихся в этой области ионосферы. Верхний слой F находится от 130-140 км до окончаний ионосферы. На высотах 250-400 км находится максимально плотный ионизированный слой, его плотность достигает максимума -106 см-3. Особенностью слоя F является то, что он отражает радиоволны в диапазоне от нескольких мегагерц до 10 мегагерц, что делает возможным передачу радиосигналов короткого диапазона на значительном расстоянии [1].
Параметры ионосферы зависят от нескольких факторов: географического положения, высоты, дня года, а также от солнечной и геомагнитной активности. Распространение радиоволн зависит от распределения электронной концентрации. Обычно модель ионосферы - это компьютерная программа, которая вычисляет и усредняет полученные данные (взаимодействие ионов и электронов с солнечным излучением, нейтральной атмосферой и магнитным полем Земли). Наиболее распространенная модель International Reference Ionosphere (IRI). Она является международной и обновляется ежегодно и основными источниками данных для модели IRI являются: глобальная сеть ионозондов; мощные радары некогерентного типа (находятся на Джикамарке, Арэсибо, Майлстоун Хилл, Малверн и Сан-Сантине); спутниковые зонды ISIS и Alouette; точечные измерение с нескольких спутников и ракет [3; 4].
Одним из эффективных методов моделирования ионосферы, является так называемая техника ассимиляции данных. Суть этой методики состоит в корректировке физической модели ионосферы с помощью оперативно получаемых экспериментальных данных. Обычная модель ионосферы, основанная на физике исследуемых процессов, не может охватить всего диапазона факторов, влияющих на состояние плазмы. Это связано с тем, что некоторые необходимые для этого величины сложно измерить экспериментально (скорости ветра на высотах термосферы, прохождение сквозь атмосферу космических лучей и др.). Кроме того, даже влияние хорошо изученных факторов, таких, например, как солнечная активность, трудно предсказать [5].
Проведя исследование информации и анализ данных, я сделал вывод, что модель, способная обеспечить высокую точность описания распределения характеристик плазмы, должна в режиме реального времени усваивать экспериментальную информацию о состоянии ионосферы. Данные, которые могут быть использованы в такого рода подходе должны быть доступны и актуальны и, кроме всего прочего, оперативно обновляемы. Одним из важнейших источников данных, отвечающих такого рода требованиям, является сеть наземных приемников навигационного сигнала спутниковых систем навигации GPSи ГЛОНАСС. По данным о распространении спутникового навигационного сигнала можно вычислить полное содержание электронов вдоль его
траектории. Но эти модели еще недоступны и требуют длительных разработок, исследований и модернизации СНС, для режима сбора данных в онлайн-режиме.
Библиографические ссылки
1. Ерухимов Л. М. Ионосфера Земли как космическая плазменная лаборатория // СОЖ. 1998. № 4. С. 77.
2. Брюнелли Б. Е., Намгаладзе А. А. Физика ионосферы. М. : Наука, 1988. 528 с.
3. Генике А. А., Побединский Г. Г. Глобальные спутниковые системы определения местоположения и их применение в геодезии. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Картгеоцентр, 2004. 355 с.
4. Развитие модели распространения коротких радиоволн в ионосфере / Д. С. Котова,
B. Е. Захаров, М. В. Клименко и др. // Хим. физика. 2015. Т. 34. № 12. С. 62-71.
5. Крюковский А. С., Лукин Д. С., Растягаев Д. В. Моделирование лучевой и каустической структуры электромагнитных полей по данным радиотомографии ионосферы в окрестности экваториальной аномалии // Электромагнитные волны и электронные системы. 2010. Т. 15. № 8.
C. 5-11.
© Сидоркин А. Л., Андронов А. С., 2018
