Ионосферное обеспечение средств коротковолновой радиосвязи с использованием спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS

Ионосферное обеспечение средств коротковолновой радиосвязи с использованием спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/ЭРБ

Цель статьи: анализ возможностей метода радиопросвечивания ионосферы с использованием спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС/ЭРБ и его технической реализации, обеспечивающей определение в реальном масштабе времени максимально применимых частот для коротковолновых (КВ) радиолиний (1 ...30 МГц). Предлагается в качестве технического средства оперативного определения параметров ионосферы (ПЭС, высотный профиль электронной концентрации, критическая частота и высота ионосферного слоя Р2) и расчета значений МПЧ использовать разработанный аппаратно-программный комплекс определения максимально применимых частот (АПК-МПЧ). АПК-МПЧ позволяет в реальном масштабе времени на основе обработки радиосигналов спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС/ЭРБ определять значения МПЧ для КВ радиолиний протяженностью до 2000 км. Представлены результаты экспериментальных исследований АПК-МПЧ, которые подтверждают возможность использования АПК-МПЧ для обеспечения средств КВ радиосвязи в режиме реального времени. При этом погрешность определения МПЧ для односкачковых радиолиний составляет (5.10)%; в отдельных случаях — до 15%. Показана возможность создания на основе территориально распределённых АПК-МПЧ единой (региональной, глобальной) системы ионосферного контроля, которая обеспечит конечных потребителей необходимой ионосферной информацией в интересах эффективной КВ радиосвязи.

Ключевые слова: ионосфера, КВ радиолиния, МПЧ, спутниковые навигационные системы ГЛОНАСС/вРБ.

Смирнов В.М.,

д. ф-м.н., старший научный сотрудник,

ФИРЭ им. ВАКотельникова РАН, г. Фрязино, Инновационный научно-технический центр, Москва, vsmimov@ire.rssi.iv

Тынянкин С.И.,

д. т.н., старший научный сотрудник, Инновационный научно-технический центр, Москва, s-i-f@mail.iv

Гузенко О.Б.,

к.т.н., старший научный сотрудник,

ВНК ВС РФ, Москва

Отличительной особенностью и преимуществом коротковолновой (КВ) связи является её глобальный характер — возможность обеспечить передачу информации на значительные расстояния без какой-либо промежуточной инфраструктуры.

Эффективность дальней радиосвязи КВ диапазона во многом определяется правильным выбором рабочей частоты передаваемого сообщения, которая не может превышать максимально применимую для конкретной радиотрассы частоту (МПЧ). Поэтому определение МПЧ является актуальной задачей в интересах обеспечения дальней КВ радиосвязи и базируется или на прогнозной информации об ионосфере, или на результатах текущих измерений ионосферньх параметров.

В силу значительной изменчивости ионосферы во времени и по пространству долгосрочное прогнозирование МПЧ, основанное на использовании глобальных моделей ионосферы, имеет достаточно низкую достоверность. Единственным путём точного определения МПЧ является оперативный (в реальном масштабе времени) контроль ионосферы.

Оперативный контроль ионосферы может осуществляться различными методами и соответствующим этим методам техническими средствами: с помощью вертикального, возвратнонаклонного и трассового зондирования, с помощью передачи контрольно-маркерных сигналов и тд. Наиболее изученным и, как следствие, наиболее распространенным методом является вертикальное зондирование ионосферы, осуществляемое с помощью наземных ио-нозондов.

Необходимо отметить, что все существующие в настоящее время наземные технические средства ионосферного контроля являются активными (т.е. излучающими радиосигналы) средствами, как следствие, возникает задача обеспечения электромагнитной совместимости средств КВ радиосвязи и средств ионосферного обеспечения. Кроме того, данные средства ионосферного обеспечения имеют ограниченные по пространству зоны контроля ионосферы и обладают значительными массогабаритными характеристиками, обусловленными, прежде всего, большими габаритами антенно-

фидерных устройств, используемых в КВ диапазоне.

Предлагаемый подход к контролю ионосферы базируется на усовершенствованном методе радиопросвечивания и заключается в определении основных ионосферных параметров (полного электронного содержания (ПЭС), высотного профиля электронной концентрации, критической частоты и высоты ионосферного слоя F2) по результатам приёма и обработки радиосигналов спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС и GPS [1]. Данный подход реализован в малогабаритном аппаратно-программном комплексе определения максимально применимых частот (АПК-МПЧ), обеспечивающем расчет в реальном масштабе времени указанных параметров ионосферы в пассивном (без излучения радиосигналов) режиме в различных азимутальных направлениях на удалении до 1000 км от места установки комплекса [2].

АПК-МПЧ производится компанией "Инновационный научно-технический центр" (г. Москва) на основе серийно вы1пускаемой двухчастотной навигационной аппаратуры и в настоящее время является уникальным изделием. Аналога такого изделия в настоящее время нет. Существующие двухчастотные навигационные приемники позволяют определять лишь ПЭС ионосферы (например, приемник GPStation-6 производства канадской компании NovAtel); иные ионосферные параметры могут быть оценены только на основе модельных представлений.

Таблица 1

№ п/п Наименование параметра Значение

1 Погрешность определения МПЧ (СКО), % 5...15

2 Периодичность определения МПЧ, мин 1

3 Количество одновременно рассчитываемых радиотрасс до 30

4 Протяжённость рассчитываемых радиотрасс, км до 2000

5 Масса, кг не более 10

6 Электропитание (напряжение, В / частота, Гц) ~220 / 50

Основные элементы АПК-МПЧ показаны на рис. 1: антенна с соединительным высокочастотным кабелем, двухчастотный навигационный приёмник, компьютер.

Функциональные возможности аппаратнопрограммного комплекса определения максимально применимых частот описаны в работах [3-5]. Основные технические параметры АПК-МПЧ приведены в табл. 1.

Сравнительные данные по измерениям критической частоты ионосферного слоя Р2, полученные для Европейской части РФ с помощью АПК-МПЧ, вертикального ионозонда и расчётов по модели 11^1 [6] приведены на

рис. 2. На рис. 2 приняты следующие обозначения: красный ромб — данные ионозонда, голубая сплошная линия — расчёты по модели 11^1, зеленая ломаная линия — данные, полученные с помощью АПК-МПЧ.

За время наблюдения в течение одних суток с помощью АПК-МПЧ получено примерно 13000 измерений для территории, ограниченной кругом с радиусом не более 200 км (для обеспечения совпадения зон, контролируемых ионозондом и АПК-МПЧ). Из рис.2 видна высокая степень совпадения данных, полученных с помощью ионозонда и АПК-МПЧ.

АПК-МПЧ имеет высокую степень автоматизации, обеспечивает круглосуточный непрерывный режим функционирования с сохранением (архивированием) тематической и служебной информации. Пользователям АПК-МПЧ предоставляется возможность использования удобного для них картографического фона для отображения информации. Пример отображения тематической и служебной информации на экране АПК-МПЧ показан на рис. 3.

Таким образом, использование одного АПК-МПЧ позволяет в реальном масштабе времени производить с достаточной точностью определение МПЧ для задаваемых оператором односкачковых КВ радиолиний, протяжённостью до 2000 км.

Для обеспечения надежной КВ радиосвязи на более протяженных (в том числе, многоскач-ковых радиотрассах) требуется объединение нескольких территориально распределенных АПК-МПЧ в единую систему оперативного контроля ионосферы.

Для повышения достоверности получаемых ионосферных данных в состав подобной системы оперативного контроля ионосферы целесообразно включать также другие наземные средства контроля ионосферы, в том числе средства активного зондирования ионосферы (например, станции вертикального и возвратно-наклонного зондирования).

На рис. 4 показаны границы пространственных зон контроля аппаратно-программных комплексов определения максимально применимых частот, интегрированных в единую систему оперативного контроля ионосферы.

Подобная интегрированная система контроля ионосферы, построенная на основе современных высокопроизводительных вычислительных средств, позволит решать следующие задачи:

— прием и совместную обработку информации от территориально распределенных АПК-МПЧ и других средств контроля ионосферы;

— трехмерную визуализацию и архивирование результатов контроля состояния ионо-

сферы с учетом геодезической привязки получаемых результатов;

— интерактивный доступ конечных потребителей к результатам обработки ионосферной информации и расчетам МПЧ для задаваемых потребителями радиотрасс.

Литература

1. Смирнов В.М. Решение обратной задачи радиопросвечивания ионосферы Земли градиентными методами // Радиотехника и электроника, 2001. — Т.46. — №1. — С.47-52.

2. Смирнов В.М, Тынянкин С.И. Способ определения параметров ионосферы и устройство для его осуществления. Патент РФ на изобретение № 2421753, опубл. 20.06.2011.

3. Смирнов В.М, Смирнова Е.В, Секистов В.Н, Мальковский А.П., Тынянкин С.И. Распространение радиоволн коротковолнового диапазона и возможности метода радиопросвечивания ионосферы Земли для расчета максимально применимых частот // Радиотехника и электроника, 2008. — Т.53. — № 9. — С.1112-1120.

4. Смирнов В.М, Смирнова Е.В. Модуль ионосферного обеспечения на базе спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС // Журнал Радиоэлектроники, 2010. — № 6. hllp://jre.cplireru/jre/jun10/3/text.pdf.

5. Смирнов В.М, Смирнова Е.В, Тынянкин С.И, Скобелкин В.Н, Мальковский А.П. Аппаратнопрограммный комплекс для мониторинга состояния ионосферы в режиме реального времени // Гелио-геофизические исследования. — Вып.4, 2013. — С.32-38.

6. Bilutza D. International reference ionosphere. — Radio Sci., 1986, v.21, № 3, p.343.

The means operability assurance of the HF radio communication with using satellite navigating systems GLONASS/GPS

Vladimir Smirnov, Kotelnikov IRE of Russian Academy of Sciences, Fryazno, Innovative Science and Technology Center, Moscow, vsminov^ire.rssi.v

Sergey Tynyankin, Innovative Science and Technology Center, Moscow, s-i-t@mail.v Oleg Guzenko, MSC AF RF, Moscow

Abstract. The article aims to analyze the possibilities of the radio translucence method for the ionosphere by using satellite navigation systems such as GLONASS/GPS; the article also studies its technical realization, which provides the definition of maximum usable frequencies (MUF) for high frequency (HF) radio links (1...30 MHz) in real time. Developed hardware and software complex which determines the maximum usable frequencies (HSC-MUF) is suggested being used as technical means of real time forecasting of the ionosphere parameters (total electron content TEC, the altitude profile of the electron concentration, the critical frequency and height of the ionosphere layer F2) and calculating the values of the MUF HSC-MUF allows determine the MUF values for HF radio links of up to 2000 km in real time based on the data processing of the satellite navigation systems. The experimental results, which validate the use of HSC-MUF for HF radio equipment in real time, are presented in the article. The error determination of MUF for single hop HF radio links is (5...10) %, and in some cases — up to 15 %. The article also shows the possibility to create the single ionospheric monitoring system based on geographically distributed HSC-MUF (regional, global ones), which will provide the end consumers with the necessary information for the effective SW radio links.

Keywords: Ionosphere, HF radio link, MUF, satellite navigation systems GLONASS/GPS

References

1. Sm/rrov V.M. Solution of the Inverse Problems of Electromagnetic Transmission Probing of the Earth Ionosphere by Gradient Methods — Radiotechnics and Electronics, 2001, v.46, n.1, p.47-52 J. Commun. Technol. Electron. 46 (1), 41-45 (2001).

2. Sm/rrov V.M., Tyryarkir S.I. The method of determining the parameters of the ionosphere and device for its implementation. Patent for invention No2421753 of 20.06.2011.

3. Sm/rrov V.M, Smirnova E.V, Sekistov VN., Malkovsky A.P, Tyryarkir S.I. Propagation of HF radio wave and capacity of the Earth's ionosphere radio raying method for calculating the maximum usable frequency. - Radiotechnics and Electronics, 2008, v.53, No 9, p.1112-1120.

4. Sm/rrov V.M., Sm/rrova E.V. Module of the determining the ionosphere parameters based on satellite systems GPS/GLONASS. Journal of Radio Electronics, 2010, No6, http://jre.cplire.ru/jre/jun10/3/text.pdf.

5. V.M., Smirnova E.V., Tyryarkir S.I., Skobelkir VN., Malkovsky A.P Hardware-software complex for monitoring the state of the ionosphere in real time. Heliogeophysical research, 2013, No 4, p.32-38.

6. Bilutza D. International reference ionosphere. Radio Sci., 1986, v.21, No3, p.343.

Рис. 3. Пример отображения информации на экране АПК-МПЧ