УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ИОНОСФЕРНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ С МЕЛКОМАСШТАБНЫМИ НЕОДНОРОДНОСТЯМИ

Предлагаемая полезная модель относится к области геофизики и может быть использована в системах мониторинга ионосферы для обнаружения естественных и техногенных воздействий.
Известно [1], что воздействие на ионосферу ряда факторов естественного и техногенного происхождения (солнечная и геомагнитная активность, землетрясения, цунами, грозы, взрывы, запуски ракет и т.д.) приводят к изменению электронной концентрации в локальных областях и появлению ионосферных образований с неоднородностями различных масштабов (от единиц метров до сотен километров). Наиболее негативное влияние на изменение условий распространения радиоволн в трансионосферных радиоканалах систем спутниковой связи (ССС) и радионавигации (ССРН) оказывают мелкомасштабные неоднородности электронной концентрации с размерами 0,1…1 км, вызывающие замирания и искажения принимаемых сигналов, срыв слежения за их параметрами [1, 2].
-3
-2
Известно [1, 2], что в условиях невозмущенной ионосферы интенсивность мелкомасштабных неоднородностей составляет β=10…10 (т.е. 0,1…1%), а при возмущениях ионосферы под действием естественных и техногенных факторов может возрастать до β=1…5% и более. В этих условиях достоверность связи и точность позиционирования в ССС и ССРН могут снижаться на несколько порядков [2].
пор
Отсюда следует, что по факту превышения интенсивности мелкомасштабных неоднородностей над некоторым пороговым значением (например, β=1%, соответствующим верхней границе интенсивности неоднородностей нормальной ионосферы) можно судить об обнаружении ионосферных образований, которые вызывают значительное снижение показателей качества функционирования трансионосферных радиоканалов ССС и ССРН.
пор
Целью является разработка устройства, позволяющего обнаруживать появление под действием различных возмущающих факторов ионосферных образований, где интенсивность мелкомасштабных неоднородностей (β) превышает пороговое значение (β).
Технический результат, который может быть получен с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к прогнозированию снижения показателей качества ССС и ССРН путем измерения интенсивности мелкомасштабных неоднородностей ионосферы и сравнения ее с порогом.
Аналогом предлагаемого устройства является устройство определения полного электронного содержания в двухчастотном режиме работы [3], позволяющее производить измерения полного электронного содержания ионосферы с учетом влияния мелкомасштабных неоднородностей, структурная схема которого приведена на Фиг. 1. Данное устройство содержит: приемную антенну (1), двухчастотный приемник (2), опорный генератор и синтезатор частот (3), аналого-цифровой процессор первичной обработки (4), блок вычисления фазового пути сигнала (5), блок вычисления полного электронного содержания ионосферы (6), устройство вывода информации (7).
Недостатками данного устройства является невозможность определения интенсивности неоднородностей ионосферы и невозможность обнаружения ионосферных образований с мелкомасштабными неоднородностями.
Известно устройство двухчастотного измерения интенсивности неоднородностей ионосферы [4], в состав которого входят: приемная антенна (1), двухчастотный приемник (2), опорный генератор и синтезатор частот (3), аналого-цифровой процессор первичной обработки (4), блок вычисления фазового пути сигнала (5), блок вычисления полного электронного содержания ионосферы (6), устройство вывода информации (7), блок вычисления средне-квадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы (8), блок вычисления математического ожидания полного электронного содержания ионосферы (среднего значения полного электронного содержания) (9) и блок вычисления интенсивности неоднородностей ионосферы (10) (Фиг. 2).
пор
Недостаток данного устройства в том, что оно не позволяет провести сравнение полученных результатов вычисления интенсивности неоднородностей ионосферы β с пороговым значением β с целью обнаружения ионосферных образований с мелкомасштабными неоднородностями. Данное устройство наиболее близко по сущности к предлагаемой полезной модели и является прототипом заявленной модели.
вх
j
1
2
ф1,2
k
k
k
k-1
ф1,2
k
ф1,2
k
ф1,2
k
ф1,2
k
ф1,2
k
ΔI
ΔI
ΔI
Известное [4] устройство двухчастотного измерения интенсивности неоднородностей ионосферы (Фиг. 2) работает следующим образом. Приемная антенна (1) принимает электромагнитные колебания, излучаемые навигационными спутниками. С выхода приемной антенны (1) напряжение u(t) поступает на вход двухчастотного приемника (2), предназначенного для усиления и селекции принятых сигналов. С выхода двухчастотного приемника (2) на вход аналого-цифрового процессора первичной обработки (4) подается вектор оценки цифровых сигналов y(t), состоящий из сигналов j=1…n видимых навигационных спутников. Опорный генератор и синтезатор частот (3) формирует сигналы с необходимыми номиналами рабочих частот f и f, которые подаются на входы двухчастотного приемника (2), аналого-цифрового процессора первичной обработки (4) и блока вычисления полного электронного содержания ионосферы I (6). В аналого-цифровом процессоре первичной обработки (4) реализованы схемы поиска и слежения за параметрами сигнала и формируются оценки фазового времени распространения сигнала τ(t) с шагом T=t-t=0,02 с (позволяющим учесть влияние мелкомасштабных неоднородностей). С выхода аналого-цифрового процессора (4) оценки фазового времени распространения τ(t) поступают на вход блока вычисления фазового пути Д(t) сигнала (5), реализующего алгоритм Д(t)=cτ(t), где c - скорость света. С выхода блока вычисления фазового пути сигнала (5) значения Д(t) поступают на вход блока вычисления полного электронного содержания ионосферы I (6). При наличии мелкомасштабных неоднородностей в ионосфере ее полное электронное содержание на малых интервалах наблюдения (порядка 1 секунды) будет иметь регулярную () и флуктуационную (ΔI) составляющие: . Далее с выхода блока вычисления полного электронного содержания ионосферы (6) оценки полного электронного содержания  поступают на вход блока вычисления среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы σ (8), где согласно формулы  происходят операции центрирования, возведения в квадрат, усреднения и извлечения квадратного корня, и на вход блока вычисления математического ожидания (или среднего значения, регулярной составляющей) полного электронного содержания ионосферы  (9). С выхода блока вычисления среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы σ (8) и выхода блока вычисления математического ожидания полного электронного содержания ионосферы  (9) значения среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы σ и значения математического ожидания полного электронного содержания ионосферы  поступают на первый и второй входы блока вычисления интенсивности неоднородностей ионосферы β (10). В блоке вычисления интенсивности неоднородностей ионосферы β (10) определяется значение интенсивности неоднородностей ионосферы согласно выражению , где . С выхода блока вычисления интенсивности неоднородностей рассчитанное значение интенсивности неоднородностей ионосферы β отображается в устройстве вывода информации (7).
пор
пор
Задачу обнаружения наличия ионосферных образований с мелкомасштабными неоднородностями по результатам сравнительной оценки интенсивности неоднородностей ионосферы (β) с пороговым значением (β), позволит решить предложенное устройство, схема которого приведена на Фиг. 3. В данном устройстве по результатам превышения интенсивности неоднородностей ионосферы над порогом (β>β) происходит формирование сообщения об обнаружении ионосферного образования с мелкомасштабными неоднородностями.
Для решения поставленной задачи в известное (Фиг. 2) устройство двухчастотного измерения интенсивности неоднородностей ионосферы [5] добавлены следующие блоки: блок порогового устройства (11) и блок обработки данных (12).
Предлагаемое устройство (Фиг. 3) работает следующим образом.
вх
j
1
2
ф1,2
k
ф1,2
k
к
k
k-1
ф1,2
k
ф1,2
k
ΔI
ΔI
ΔI
пор
пор
Приемная антенна (1) принимает электромагнитные колебания, излучаемые навигационными спутниками. С выхода приемной антенны (1) напряжение u(t) поступает на первый вход двухчастотного приемника (2), предназначенного для усиления и селекции принятых сигналов. С выхода двухчастотного приемника (2) на первый вход аналого-цифрового процессора первичной обработки (4) подается вектор оценки цифровых сигналов y(t), состоящий из сигналов j=1…n видимых навигационных спутников. Опорный генератор и синтезатор частот (3) формирует сигналы с необходимыми номиналами рабочих частот f и f, которые подаются на вторые входы двухчастотного приемника (2), аналого-цифрового процессора первичной обработки (4) и блока вычисления полного электронного содержания ионосферы I (6). В аналого-цифровом процессоре первичной обработки (4) реализованы схемы поиска и слежения за параметрами сигнала. С выхода аналого-цифрового процессора (4) на вход блока вычисления фазового пути сигнала (5), реализующего алгоритм Д(t)=cτ(t) с шагом Т=t-t=0,02 с, поступают оценки фазового времени распространения τ(t). С выхода блока вычисления фазового пути сигнала (5) значения Д(t) поступают на первый вход блока вычисления полного электронного содержания ионосферы  (6). Далее с выхода блока вычисления полного электронного содержания ионосферы I (6) оценки полного электронного содержания  поступают на вход блока вычисления среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы σ (8), где, согласно формуле , происходят операции центрирования, возведения в квадрат, усреднения и извлечения квадратного корня, и на вход блока вычисления математического ожидания полного электронного содержания ионосферы  (9). С выхода блока вычисления среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы σ (8) и выхода блока вычисления математического ожидания полного электронного содержания ионосферы  (9) значения среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы σ и значения математического ожидания полного электронного содержания ионосферы  поступают, соответственно, на первый и второй входы блока вычисления интенсивности неоднородностей ионосферы β (10). В блоке вычисления интенсивности неоднородностей ионосферы β (10) определяется значение интенсивности неоднородностей ионосферы согласно выражению , где . С выхода блока вычисления интенсивности неоднородностей (10) рассчитанное значение интенсивности неоднородностей ионосферы β поступает на вход блока порогового устройства (11), в котором производится его сравнение с величиной, характерной для нормальной ионосферы: β=0,01 (т.е. 1%). В случае не превышения порового значения (т.е. β≤β=0,01) вычисленное значение β с первого выхода блока порогового устройства (11) поступает на первый вход устройство вывода информации (7).
пор
Если значение величины интенсивности неоднородностей превышает пороговый уровень (т.е. β>β=0,01), то данная величина β со второго выхода блока порогового устройства (11) поступает на вход блока обработки данных (12). В блоке обработки данных (12) производится формирование сообщения об обнаружении ионосферного образования, с мелкомасштабными неоднородностями. Данная информация с выхода блока обработки данных (12) поступает на второй вход устройства вывода информации (7).
пор
Таким образом, в разработанном устройстве (Фиг. 3) на основе сравнения измеренных значений интенсивности неоднородностей ионосферы β с пороговым β=0,01 делается вывод об обнаружении ионосферного образования с мелкомасштабными неоднородностями.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлена функциональная схема устройство определения полного электронного содержания при двухчастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации; на Фиг. 2 представлена функциональная схема известного устройства двухчастотного измерения интенсивности неоднородностей ионосферы, на Фиг. 3 представлена функциональная схема предлагаемого устройства обнаружения ионосферных образований с мелкомасштабными неоднородностями.
Список использованных источников
1. Перевалова Н.П. Оценка характеристик наземной сети приемников GPS/ГЛОНАСС, предназначенной для мониторинга ионосферных возмущений естественного и техногенного происхождения // Солнечно-земная физика, 2011, вып. 19, с. 124-133.
2. Пашинцев В.П., Солчатов М.Э., Гахов Р.П. Влияние ионосферы на характеристики космических систем передачи информации: Монография. - Москва: Физматлит, 2006. - 184 с.,
3. Устройство измерения полного электронного содержания ионосферы при двухчастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации. Патент на полезную модель №81340 от 10.03.2009 г.
4. Устройство двухчастотного измерения интенсивности неоднородностей ионосферы. Патент на полезную модель №108150 от 10.09.2011 г.