CC BY
129
2007
НА УЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА сер. Радиофизика и радиотехника
№ 117
УДК 621.396
ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОШИРОТНОЙ ИОНОСФЕРЫ НА РАССЕЯНИЕ
СИГНАЛОВ СРНС
О.А. ГОРБАЧЕВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Нечаевым Е.Е.
Показано, что сигналы спутниковых радионавигационных систем, передаваемые в частотном диапазоне 1000^1600 МГц, могут испытывать аномальное рассеяние в высокоширотной ионосфере в области высот 200^500 км. Процесс рассеяния обусловлен эффективным взаимодействием радиоволн с интенсивными ионнозвуковыми колебаниями, которые генерируются в области неизотермичности плазмы, возникающей из-за наличия продольных стационарных электрических токов и нагрева плазмы в системе “ионосфера-плазмосфера” за счет диссипации энергии кольцевого тока. Последствиями данного процесса могут быть уменьшение интенсивности полезного сигнала и неопределенность положения источника сигнала для приемника.
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что передатчики навигационных спутников СРНС излучают два непрерывных сигнала в диапазонах Ь1 и Ь2 на следующих частотах [1, 2]:
п(1)-
1 -О. (1)
о2
Таблица 1
Частотные диапазоны для работы СРНС
Вид СРНС Диапазон Ь1 Диапазон Ь2
ОРБ 1575,42 МГц 1227,6 МГц
ГЛОНАСС 1602,0 МГц + £0,5625 МГц, k = -7.. .13 - номер частоты 1246,0 МГц + £0,4375 МГц, k = -7.13 - номер частоты
Приведенные в табл. 1 частотные диапазоны были выбраны разработчиками СРНС в том числе и потому, что в период создания спутниковых навигационных систем считалось, что влияние ионосферы на распространение их сигналов незначительно, так как показатель преломления радиоволны в системе “ионосфера-плазмосфера” в частотных диапазонах Ь1 и Ь2 близок к единице для типичных значений концентрации плазмы [3]. Здесь о - циклическая ра-
бочая частота передатчика; о (^ =
4жe2ne(l)
- - плазменная (ленгмюровская) частота элек-
me
тронного газа в данной точке траектории l распространения волны; e, ne,me - соответственно
заряд, концентрация и масса электрона. Под плазмосферой понимается продолжение ионосферы до некоторой границы, называемой плазмопаузой, на которой концентрация заряженных частиц резко падает примерно на два порядка. Положение плазмопаузы зависит от уровня солнечной и геомагнитной активности и обычно варьируется от (3^4^р; до (6^7)RE , где RE=6378км - радиус Земли.
Наземная аппаратура СРНС (приемник) имеет возможность регистрировать так называемую псевдодальность PR и фазу несущей PH. Под термином псевдодальность обычно понимается произведение скорости света в вакууме с на длительность интервала времени ^ = tc — tn.
Здесь tc - момент излучения сигнала спутником, зафиксированный в практически абсолютно точном системном времени СРНС, tn - момент приема сигнала приемником, зафиксированный в его менее точном собственном времени [4].
Так как рабочая частота в СРНС примерно на два порядка превышает максимальную плазменную частоту в системе «ионосфера-плазмосфера», то погрешность измерения приемником псевдодальности (а значит и погрешность определения координат), обусловленная отличием показателя преломления (1) от единицы, составляет величину ~10 метров [5], что еще несколько лет назад вполне устраивало основного «гражданского» потребителя навигационных услуг -гражданскую авиацию. Однако в настоящее время, в связи с принятием ICAO концепции CNS/ATN, согласно которой СРНС будут применяться в качестве навигационного обеспечения систем посадки [6], потребителю необходима точность определения координат в пределах единиц, а в некоторых случаях долей метров. Конечно, на погрешность определения координат, кроме среды распространения сигнала, влияют многие факторы, например, геометрический фактор, качество навигационного сигнала, конструктивные недостатки приемника и др. Однако все эти погрешности не превышают величины ~1 м [7], и являются технически преодолимыми. Отсюда следует, что система “ионосфера-плазмосфера”, внутри которой лежит траектория распространения сигнала СРНС, является главной причиной, не позволяющей достигнуть требуемой в настоящее время точности навигационно-временных определений.
Следует отметить, что двухчастотные приемники военного назначения, принимающие сигналы в диапазонах L1 и L2, имеют возможность практически полностью исключить погрешность определения координат, обусловленную влиянием среды распространения, с помощью известного соотношения [1]:
pR = PR1 ~yPR2 1 -г ’
где g = (f1 / f2 )2; PR1 и PR2 - псевдодальности, определенные по сигналам на частотах f и f2 диапазонов L1 и L2, соответственно. Одночастотные приемники, используемые гражданскими потребителями, принимают сигнал в диапазоне L1 (в режиме SPS для СРНС GPS и режиме СТ для СРНС ГЛОНАСС). Для учета ионосферно-плазмосферной рефракции в их программном обеспечении применяются ионосферные модели (например, для приемников GPS - уточненная модель Клобучара [8, 9]). Модель Клобучара разработана в 90-х годах прошлого столетия и выдает вертикальные ионосферные поправки, точность которых для недавнего времени соответствовала требованиям потребителей навигационной информации. Сегодня данная модель не отвечает ужесточившимся требованиям прежде всего потому, что не учитывает те происходящие в системе “ионосфера-плазмосфера” физические процессы, существование которых доказано исследователями в последнее десятилетие.
Из вышесказанного следует, что совершенствование модели системы “ионосфера-плазмосфера” имеет большое практическое значение для повышения точности навигационновременных определений в СРНС. В данной работе исследуется один из физических процессов, влияющих на распространение сигналов СРНС - аномальное рассеяние радиоволн в диапазоне 1000^1600 МГц на ионно-звуковых колебаниях в высокоширотной ионосфере.
ОБЛАСТЬ ГЕНЕРАЦИИ ИОННО-ЗВУКОВОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ В ВЫСОКОШИРОТНОЙ ИОНОСФЕРЕ
В работах [10-12] было показано, что магнитосферный кольцевой ток, текущий поперек силовых линий геомагнитного поля на расстоянии (5^7) RE, играет определяющую роль в тепловом режиме плазмосферы и оказывает достаточно серьезное влияние на тепловой режим нижележащей ионосферы в диапазоне широт р ~ 55°^70°. При моделировании теплового режима системы “ионосфера-плазмосфера” выяснилось, что имеется некоторое превышение экспери-
ментально измеренных значений температуры плазмы в экваториальной зоне плазмосферы по сравнению с модельными расчетами [13]. Автором модели было высказано предположение о необходимости учета в ней системы продольных токов, текущих вдоль геомагнитных силовых линий. Это предположение было реализовано в работах [14, 15]. В результате расчетов, проведенных в работах [13-15], показано, что учет влияния кольцевого тока и продольных токов различного происхождения на тепловой режим системы “ионосфера-плазмосфера” приводит к его качественному изменению: в несколько раз (до 104 К) повышается температура плазмы во внешней ионосфере и плазмосфере, кроме того, на высотах Б-слоя ионосферы и выше его (к~200^500 км) появляется область сильной неизотермичности плазмы (отношение Те /Тi > 3.4 +10 ). Исследования проводились для токов, вызванных замыканием кольцевого тока через токопроводящую ионосферу (Е-слой) [14], и токов, обусловленных динамикой обтекания магнитосферы Земли солнечным ветром. Второй вид токов наблюдается на силовых линиях, соответствующих более высоким широтам (р~ 65°+70°) по сравнению с первым видом [15].
Существование зоны неизотермичности плазмы авторы [14, 15] объяснили следующим образом. Согласно результатам работы [10], в области взаимодействия кольцевого тока и плазмо-сферы ионная компонента тепловой плазмы греется более эффективно, чем электронная. Вследствие этого в экваториальной части плазмосферы выполняется равенство Т > Те в любой момент времени этого взаимодействия. Однако, по мере удаления от экватора (интегрирование моделирующих уравнений ведется вдоль силовых линий геомагнитного поля) электронная температура падает медленнее ионной и на высотах внешней ионосферы (к < 800 км) выполняется обратное неравенство Те > Т. Этот факт связан с различной скоростью выноса тепла из экваториальной области интенсивного нагрева плазмы. Кроме того, на высотах к < 600 км происходит резкое падение ионной температуры, обусловленное резонансным характером процессов перезарядки ионов водорода и кислорода с соответствующими атомами, вследствие чего температура ионов сравнивается с температурой нейтрального газа [16]. Ниже высот максимума Б-слоя определяющую роль в формировании теплового режима ионосферы играют столкновения с заряженными и нейтральными частицами. Вследствие этого на высотах к < 200 км электронная и ионная температуры выравниваются.
В результате указанных особенностей высотного распределения ионной и электронной температур в ионосфере на высотах 200^500 км имеет место область неизотермичности плазмы, в которой Те превышает Т в 3^10 раз. В этом случае можно с уверенностью говорить о возможности генерации ионно-звуковых колебаний в плазме, которые могут привести к существенному увеличению эффективных частот столкновений с ними как заряженных частиц, так и радиоволн в различных частотных диапазонах.
РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ НАЛИЧИЯ ОБЛАСТИ ИОННО-ЗВУКОВОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ
Основным результатом работ [14, 15] явилась оценка уровня ионно-звуковой турбулентности в режиме насыщения, полученная на основе модельных расчетов теплового режима системы «ионосфера-плазмосфера». Расчеты показали, что в области высот 200^500 км в высокоширотной ионосфере (диапазон широт р ~ 55°+70°) для экспериментально измеренных величин плотности продольных токов и интенсивности кольцевого тока уровень ионно-звуковой турбулентности имеет следующий порядок величины:
= 10 ~3 +10 ~4. (2)
пТе
Оценка уровня турбулентности (2) позволила исследовать вопросы взаимодействия с ионно-звуковыми колебаниями радиоволн различных частотных диапазонов. Так, в работе [17] рассмотрен процесс слияния двух ионно-звуковых волн с последующим превращением в попе-
речную электромагнитную волну. При этом генерируется ОНЧ излучение, практически перпендикулярное направлению геомагнитного поля со спектральной плотностью порядка 10~14^ 1015 Вт м"2 Гц"1. Данный тип излучения регистрируется в наземных экспериментах и его изучение важно для оценки помехоустойчивости низкочастотных систем глобальной радионавигации типа Лоран-С и Чайка, которые используются в реализации дифференциального режима СРНС в рамках совместного с Россией европейского проекта создания региональной дифференциальной подсистемы Еигойх [18, 19].
В работе [20] изучен процесс аномального поглощения радиоволн коротковолнового диапазона, обусловленный эффективным комбинационным рассеянием радиоволны на ионнозвуковой турбулентности плазмы. Показано, что на высотах Б-слоя высокоширотной ионосферы (к~300 км) может иметь место эффективное поглощение КВ радиоволн, что позволяет объяснить тот факт, что во время полярных сияний значительно усиливается поглощение космических радиошумов и нарушается радиосвязь в коротковолновом диапазоне вплоть до ее полной потери (см. [21] и цитируемую там литературу).
Рис.1. Рассеяние радиоволн УКВ диапазона в ионосфере:
НС - навигационный спутник; 1 - распространение сигнала НС в отсутствие зоны ионнозвуковой турбулентности; 2 - изменение траектории распространения сигнала НС при его рассеяние на ионно-звуковой турбулентности
Теперь рассмотрим процесс взаимодействия УКВ радиоволн с частотой 1^2 ГГц с ионнозвуковыми колебаниями в высокоширотной ионосфере. Известно, что на высокоширотных станциях некогерентного рассеяния радиоволн (НРР), работающих в УКВ диапазоне, неоднократно наблюдалось значительное усиление отраженного от ионосферы сигнала в ионной линии (см. [22]). Напомним, что суть метода НРР состоит в изучении характеристик отраженного сигнала, возникающего при прохождении через ионосферу мощной радиоволны искусственного происхождения с частотой >100 МГц. Учитывая то, что частота волны в методе НРР лежит в КВ диапазоне, это значит, что её рассеяние может происходить только на неоднородностях ионосферы. При этом имеет место так называемый процесс “просвечивания” ионосферы (включая высоты внешней ионосферы), в результате которого определяются её параметры. Ранее было показано, что на высотах Б-слоя высокоширотной ионосферы (к~300 км) может иметь место эффективное поглощение КВ радиоволн [20]. Однако радиоволны КВ диапазона до момента рассеяния проходят очень небольшую зону ионно-звуковой турбулентности снизу от высоты
И~200 км до максимума Б-слоя (А/ »100 км). Если предположить, что существует механизм взаимодействия радиоволн, излучаемых спутниками СРНС в частотном диапазоне 1^2 ГГц, с ионно-звуковыми колебаниями, подобный механизму комбинационного рассеяния на них КВ радиоволн, то зона просвечивания ионосферы сверху будет составлять величину А/ » 300 км. Очевидно, что наличие такой обширной зоны рассеяния спутникового сигнала должно приводить, во-первых, к его существенному ослаблению и, во-вторых, к увеличению погрешности определения псевдодальности приемником. Проблема ослабления уровня сигнала спутника может иметь техническое решение и поэтому здесь рассматриваться не будет. Остановимся более подробно на второй проблеме - увеличения погрешности определения псевдодальности, обусловленной тем, что каждая точка зоны ионно-звуковой турбулентности может, за счет рассеяния исходного сигнала, излучать сигнал, подобный спутниковому сигналу СРНС (рис. 1).
Затухание электромагнитной волны с частотами значительно больше ленгмюровской частоты плазмы ( (О » ко >> аРе ) для случая незамагниченной плазмы ( ОРе > О В ) за счет взаимодействия с ионно-звуковой турбулентностью описывается уравнением [23]
где
¿д % (д >
2— (2р) пТе
— — — [к — д, е ]2 — — 8 —— —— е (—,— ——) —с2 (*—д )2 —к — т — (к +
1 (к — д )2 —
(3)
(4)
—
?т
здесь £т(ю,к) - диэлектрическая проницаемость плазмы для электромагнитных волн [23]; ет вектор поляризации радиоволны; Е{ - напряженность электрического поля радиоволны. Слагаемое в (4) описывает столкновительное затухание радиоволны на заряженных и нейтральных
частицах ионосферной плазмы.
Оценим вклад комбинационного рассеяния радиоволны, описываемым вторым слагаемым в формуле (4). Из условия пространственно - временного синхронизма
—(к > + — (д8 > = ю(к '>
—
(5)
к + д5 = к'
— —
видно, что для случая обратного рассеяния к' = — к :
|д| < 2к = 2—.
с
(6)
Из (6) следует, что рассеивать радиоволны диапазонов Ь1 и Ь2 могут ионно-звуковые колеба-
——
ния с Л> 10 см. Так как — <—РІ, то максимум в распределении спектра Ж5(д) ионнозвуковых волн при д < (—РІ /ь5) < 1 попадает как раз на этот интервал волновых чисел. Опуская промежуточные выкладки, получаем оценку
Р— Ж
(О
Г ¿д (д)
2— Г (2Р)3 пТе
1
8
Є, (—, к — д)-
— — с2 (к — д)2
—
Р—.2Р\ ^ Ш) — 8 д — 2—, _
2— * (2р)3 пТе 2с ^ с) 4сАд, пТе
1
где ЖГЖ (д ^ д и ^ «Ад±»д <2 (2Р)
С учетом (6) окончательно имеем:
—
с
—
—
—
—
П) «р—^ . (7)
* « — пТе
Для высот Б-слоя и внешней ионосферы (к~200+500 км), где плазменная частота имеет величину —Ре « 107 + 106с_1 и для значений — « 109с_1, легко получить следующую оценку рассеяния радиоволны на ионном звуке (фононах) в режиме его насыщения
V*) « (102 +104) с"1.
Учитывая, что значения частот столкновений электронов с ионами и нейтральными составляющими ионосферной плазмы для данных высот составляют пеі « (2 • 102 103) с— и
пеп «103 с~!, соответственно [16], видим, что вклад комбинационного рассеяния радиоволн
диапазонов Ь1 и Ь2 на ионно-звуковой турбулентности сравним с вкладом от рассеяния на тепловых частицах ионосферной плазмы, или превышает его. При этом рассеяние на тепловых частицах быстро падает с увеличением высоты, тогда как рассеяние на ионном звуке от высоты практически не зависит. Подчеркнем еще раз, что речь идет о рассеянии радиоволн частотных диапазонов Ь1 и Ь2 на ионно-звуковой турбулентности, то есть изменении направления волнового вектора сигнала, излучаемого навигационным спутником. Отметим также, что, так как размеры фонона (6) сравнимы с длиной радиоволны, то рассеяние происходит наиболее эффективно на большие углы.
Коэффициент эффективного затухания радиоволн, определяется выражением [20]:
А1 ¿1 — )
Г = Ь—гг п'ї—, д)»— А1, (8)
ё— / ёд ц
*
где =и - групповая скорость ионного звука (и3 »105ом • о 1 )и А/ - групповой путь пакета
ионно-звуковых волн, который практически не зависит от параметров ионосферы. Значения Г >10, обеспечивающие значительное ослабление амплитуды сигнала радиоволны, достигаются уже при значениях А/ » (103 — 104) см , тогда как размер по высоте области ионно-звуковой неустойчивости Ь ~ 300км = 3 • 107см .
0
ВЫВОДЫ
Основной вывод данной работы состоит в том, что в диапазоне высот 200+500 км в высокоширотной ионосфере имеется область ионно-звуковой турбулентности, в которой могут испытывать аномальное рассеяние сигналы спутниковых радионавигационных систем, передаваемые в частотном диапазоне 1000+1600 МГц. При этом происходит увеличение погрешности определения псевдодальности, обусловленное тем, что каждая точка зоны ионно-звуковой турбулентности может, за счет рассеяния исходного сигнала, излучает сигнал, подобный спутниковому сигналу СРНС. Более того, при рассеянии излучаемого навигационным спутником сигнала на ионнозвуковой турбулентности, вследствие выполнения соотношения (6) , происходит изменение направления волнового вектора на большие углы, что может привести к полной потере приемником сигнала СРНС, то есть к нарушению функционирования системы спутниковой навигации.
Следует отметить, что ионно-звуковая неустойчивость даже при относительно слабых продольных токах является самоподдерживающейся, так как скорость нагрева электронной компоненты плазмы выше ионной, что приводит к сохранению необходимого уровня неизотермично-сти плазмы. Это означает, что рассеяние сигналов СРНС может происходить не только во время геомагнитных возмущений, но и длительное время после них. Размеры области ионно-звуковой неустойчивости по широте составляют 10+15 градусов (ф~ 55°+70°).
ЛИТЕРАТУРА
I.Interface Control Document GPS // ICD-GPS-200C-002, 1997.
2.Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ.// М.: КНИЦ ВКС, 1995.
3.Горбачев О.А., Иванов В.Б., Рябков П.В. О возможности применения одночастотных приемников GPS для диагностики ионосферы. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №107, 2006.
4.Авиационная радионавигация: справочник. Под ред. А. А. Сосновского. М.: Транспорт, 1990.
5.Lachapelle G. Navigation Accurasy for Absolute Positioning. // AGARD Lecture Series 207, System Implications and Innovative Applications of Satellite Navigation, NATO, 1996.
6.Приложение 10 к Конвенции о международной гражданской авиации (SARPS). Т.1 (Радионавигационные средства). ИКАО, 2004.
7.Соловьев Ю.А. Спутниковая навигация и её приложения. М.: Эко-Трендз, 2003.
8.Klobuchar J.A. Ionospheric effects on GPS. // Global Positioning System: Theory and Applications. Edited by B.W. Parkinson and J.J. Spilker Jr. Published by the American Institute of Aeronautics and Astronomics Inc. 1996.
9.Technical Characteristics of the NAVSTAR GPS. // NATO, 1991.
10.Горбачев О. А. Коников Ю.В. Хазанов Г.В. К расчету электронной температуры в системе ионосфера-плазмосфера. // Геомагнетизм и аэрономия, Т.30, №3, 1990.
II.Gorbachev O.A., Konikov Yu.V., Khazanov G.V., and Sidorov I.M. Allowance for thermal flux variation in the model of ionosphere-plasmasphere interactions. // Planet.Space Sci., V.39, N.6, 1991.
12.Gorbachev O.A., Gamayunov K.V., Khazanov G.V., and Krivorutsky E.N. A theoretical model for the ring current interactions with the Earths plasmasphere. // Planet.Space Sci., V.40, N.6, 1992.
13.Горбачев О.А. Влияние кольцевого тока на тепловой режим плазмосферы и ионосферы Земли.// Дисс. на соиск. уч. степ. канд. физ.-мат. наук. Иркутск: СибИЗМИР, 1990.
14.Горбачев О.А., Трухан А. А. Ионно-звуковая неустойчивость ионосферной плазмы, сопряженной с кольцевым током Земли. // Геомагнетизм и аэрономия, Т.35, №4,1995.
15.Трухан А.А., Горбачев О.А. Механизм ионно-звуковой неустойчивости во внешней авроральной ионосфере. // Геомагнетизм и аэрономия, Т.37, №1,1997.
16.Khazanov G.V., Koen M.A., Konikov Yu.V., Sidorov I.M. Simulation of ionosphere-plasmasphere coupling taking into account ion inertia and temperature anisotropy. // Planet.Space Sci., V.32, N.5, 1984.
17.Горбачев О. А., Трухан А.А. Ионнозвуковая турбулентность ионосферы как источник ОНЧ радиоизлучения типа аврорального шипения. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №62, 2004.
18.Lechner W.,Baumann S. Loran-C/Eurofix Activities in Europe.// Status and Future Developments, ION GPS-2000 Proc., 19-22 September 2000, Salt Lake City, UT.
19.Vroeijenstijn R., et al. Wide Area DGNSS Service Using Existing LF-transmitters. // Proc. of DSNS-96, St. Petersburg, V.1, p.9, 1996.
20.Горбачев О.А., Трухан А.А. Поглощение коротких радиоволн в авроральной ионосфере. Статья в настоящем Вестнике.
21.Гельберг М.Г. Неоднородности высокоширотной ионосферы. Новосибирск: Наука, 1986.
22.Mishin E.V., Schleger K. On incoherent scatter plasma lines in Auroral // J.Geophys.Res. V.99, A6, 1994.
23.Арцимович Л.А., Сагдеев Р.З. Физика плазмы для физиков. М.: Атомиздат,1979.
INFLUENCE OF HIGH-LATITUDE IONOSPHERE ON SIGNALS SCATTERING OF NAVIGATION
SATELLITE SYSTEM
Gorbachev O.A.
It is shown that the signals of navigation satellite systems, which are transmitted in frequency band 1000^1600 MHz, can be scattered irregular in high-latitude ionosphere in altitude area 200^500 km. The scattering process is caused by effective interrelation between radio waves and intensive ion-sound oscillations, which are generated in area of nonisothermal plasma. This area arises in case of linear stationary electrical currents and plasma heating in system “ionosphere-plasma” due to the energy dissipation of ring current. The reduction of useful signal intension and location uncertainty of signal source for receiver will be the consequences of this process.
Сведения об авторе
Горбачев Олег Анатольевич, 1959 г.р., окончил ИГУ (1982), кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий кафедрой авиационного радиоэлектронного оборудования Иркутского филиала МГТУ ГА, автор 27 научных работ, область научных интересов - радиофизика, радионавигация.
