СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ И НАПРАВЛЕНИЯ ПРИХОДА ИОНОСФЕРНОГО ВОЗМУЩЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING PROPAGATION SPEED AND DIRECTION OF ARRIVAL OF IONOSPHERIC DISTURBANCE

Изобретение относится к области радиофизики и может быть использовано в системах дистанционного контроля ядерных и иных взрывов, предупреждения о запусках ракет, наблюдения за сейсмической активностью.
Существует способ определения направления прихода и скорости перемещения ионосферных возмущений естественного и техногенного характера, основанный на анализе данных о полном электронном содержании (ПЭС) в ионосфере Земли [1]. Он заключается в том, что с помощью решетки, состоящей из пространственно разнесенных приемников спутниковых радионавигационных систем (СРНС), получают временные ряды флуктуации ПЭС в ионосфере Земли для лучей «приемник - навигационный спутник». В результате фильтрации рядов ПЭС для отдельных лучей выделяют характерные возмущения, содержащие отклик ионосферы на воздействие источника. При этом параметры движения фронта волны ионосферного возмущения определяются по значениям взаимных задержек флуктуации ПЭС, зарегистрированных в трех точках. В указанном способе решение об обнаружении ионосферного возмущения принимается по анализу данных каждого приемника в отдельности, без учета информации двух других приемников, а для определения направления прихода волны ионосферного возмущения используется минимально необходимое количество приемников, поэтому данный способ характеризуется низкой чувствительностью и недостаточной точностью измерения направления прихода волны ионосферного возмущения.
i
i
i
i
i
i
Наиболее близким к решению поставленной задачи, принятым за прототип, является способ обнаружения и измерения фазовой скорости и направления прихода ионосферного возмущения, основанный на анализе данных ПЭС ионосферы от большого количества пространственно разнесенных наземных двухчастотных приемников СРНС ГЛОНАСС/GPS. Сущность его заключается в том, что временные ряды ПЭС, полученные с помощью решетки двухчастотных приемников СРНС ГЛОНАСС/GPS с размером апертуры, соответствующей дальней зоне источника ионосферных возмущений, фильтруют с целью выделения вариаций ПЭС, которые соответствуют отклику ионосферы на воздействие источника. Полученные после фильтрации сигналы сдвигают по времени на величину Δτ и когерентно суммируют, добиваясь максимальной амплитуды суммарного сигнала. Решение об обнаружении возмущения принимают при превышении суммарным сигналом порогового уровня, а направление прихода и величину фазовой скорости волны возмущения находят из решения системы уравнений, описывающих в избранной системе координат семейство плоских волновых фронтов, отстоящих друг от друга на расстояние Δρ, определяемое относительными временными сдвигами Δτ сигналов отдельных приемников [2]. Это позволяет повысить чувствительность обнаружения и точность определения направления прихода ионосферного возмущения. В силу того, что в способе-прототипе расстояния Δρ, пройденные фронтом волны ионосферного возмущения, рассчитываются в топоцентрической системе координат в предположении прямолинейного распространения ионосферного возмущения, использование этого способа в протяженных приемных решетках приведет к ухудшению чувствительности обнаружения ионосферного возмущения и снижению точности определения его пространственно-временных параметров. Это обусловлено влиянием кривизны Земли на точность определения расстояния Δρ в протяженных приемных решетках, что в свою очередь приводит к повышению погрешности определения временных сдвигов Δτ, увеличению степени несинфазности при сложении рядов вариаций ПЭС и, как следствие, к снижению амплитуды суммарного сигнала и точности определения направления прихода и скорости распространения ионосферного возмущения.
Задачей изобретения является повышение чувствительности обнаружения и точности определения скорости распространения и направления прихода ионосферного возмущения, регистрируемого протяженной решеткой приемных станций СРНС ГЛОНАСС/GPS.
В сравнении со способом-прототипом решение данной задачи достигается за счет того, что используется протяженная приемная решетка, угловой размер апертуры γ которой в направлении распространения ионосферного возмущения определяется из выражения
,
i
i
где δ - предельно допустимая относительная погрешность определения расстояния, пройденного фронтом волны ионосферного возмущения. Формируется диаграмма направленности приемной решетки и последовательно ориентируется во всех направлениях заданного сектора обзора в фазовом пространстве [α, V], где α - направление прихода, а V - скорость перемещения ионосферного возмущения. Ориентирование диаграммы направленности приемной решетки в заданном направлении (α, V) осуществляется путем формирования выходного сигнала, который является результатом пространственно-временного суммирования полученных после фильтрации рядов вариаций ПЭС отдельных элементов приемной решетки со сдвигами Δτ (i - номер элемента решетки), зависящими от заданных значений α и V и расстояний Δρ, пройденных плоским фронтом ионосферного возмущения между элементами приемной решетки в заданном направлении α внутри сферического слоя ионосферы Земли.
Решение об обнаружении ионосферного возмущения принимается при превышении суммарным сигналом заданного порогового уровня. Соответствующие значения α и V, для которых суммарный сигнал приемной решетки превысил пороговое значение, считаются оценками направления прихода и фазовой скорости распространения ионосферного возмущения. Предложенный способ обеспечивает обнаружение и определение пространственно-временных параметров ионосферных возмущений, одновременно пришедших на приемную решетку с различных направлений.
i
На фиг.1 представлена геометрия определения координат удаленного точечного источника ионосферного возмущения, на фиг.2 показаны вариации полного электронного содержания ΔI(t) для отдельных элементов протяженной приемной решетки, а также суммарный сигнал , полученный на выходе решетки. На фиг.3 приведена зависимость амплитуды суммарного сигнала от проверяемых значений направления прихода и скорости распространения ионосферного возмущения, полученная в результате сканирования диаграммы направленности приемной решетки в пределах сектора обзора.
В предложенном способе определение значения ПЭС ионосферы осуществляется по двухчастотным измерениям псевдодальности между навигационным спутником и наземным приемником СРНС [1, 3]:
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
где f=1575.42 МГц, f=1227.6 МГц, λ, λ - частоты и длины волн навигационных радиосигналов СРНС; Lλ и Lλ - фазовый путь трансионосферных навигационных радиосигналов СРНС (L, L - число полных оборотов фазы); z - зенитный угол луча «приемник - навигационный спутник».
max
Для устранения пространственной неопределенности, вызванной интегральным характером ПЭС, значение ПЭС соотносится к одной ионосферной точке (ИТ) - точке пересечения луча «приемник - навигационный спутник» с плоскостью на высоте h максимума ионизации F-области ионосферы (поскольку эта область вносит основной вклад в формирование ПЭС). На основании известных географических координат приемных станций СРНС, значения азимута и угла места луча «приемник - навигационный спутник» преобразуются в геоцентрические координаты (x, y, z) соответствующей ИТ.
i
i
i
i
Совокупность лучей «приемник - навигационный спутник» в заданном регионе образует приемную решетку, каждый i-й элемент которой в момент времени t характеризуется измеренным значением ПЭС I(t) и положением соответствующей ионосферной точки x(t), y(t) и z(t). Временные ряды ПЭС отражают как регулярные изменения ПЭС в точке регистрации, так и вариации ПЭС, вызванные ионосферными возмущениями различного характера.
Для выделения характерных ионосферных возмущений ряды ПЭС подвергаются процедуре специальной фильтрации в диапазоне периодов, соответствующих масштабу возмущения.
i
0
i
Обнаружение и определение пространственно-временных параметров ионосферного возмущения осуществляется путем последовательной проверки гипотез о значениях направления прихода и скорости распространения ионосферного возмущения. Для каждой пары проверяемых значений (α, V) формируется диаграмма направленности приемной решетки и соответствующим образом ориентируется в фазовом пространстве [α, V] за счет синфазного суммирования отдельных рядов ΔI(t) приемной решетки к некоторому центральному ряду ΔI(t), выбранному в качестве опорного, с временными сдвигами τ и формирования выходного сигнала приемной решетки:
где Р - количество элементов приемной решетки.
i
j
0
i
j
0
Временной сдвиг τ определяется как разность времени t j-го отсчета i-го суммируемого ряда ПЭС и времени t регистрации ионосферного возмущения центральным элементом приемной решетки τ=t-t и выбирается исходя из минимизации выражения, описывающего динамику распространения возмущения:
i
где Δρ - расстояние, пройденное фронтом волны между i-м и центральным элементом приемной решетки.
i
max
Для протяженных приемных решеток расстояние Δρ рассчитывается с учетом кривизны Земли. С этой целью в заданном направлении α прихода волны ионосферного возмущения на высоте h задается удаленный точечный источник (обозначен точкой Е на фиг.1), который будет являться полюсом ортодромической системы координат, экватор которой (сплошная жирная линия на фиг.1) проходит через центральный элемент приемной решетки (точка А на фиг.1). Тогда фронт волны, распространяющийся от удаленного точечного источника и проходящий через i-й элемент приемной решетки (точка В на фиг.1), будет представлять собой широтный круг (жирная прерывистая линия), параллельный экватору полученной ортодромической системы. Такая модель соответствует плоской волне ионосферного возмущения, распространяющейся на сфере Земли.
e
e
e
0
0
0
max
e
e
e
Геоцентрические координаты (x, y, z) удаленного источника ионосферного возмущения определяются с использованием правил сферической тригонометрии. При этом рассматривается сферический треугольник, вершиной А которого является центральный элемент приемной решетки с известными координатами (x, y, z). Вершиной С этого треугольника является северный полюс геоцентрической системы координат (0, 0, R+h), где R - радиус Земли. Необходимо определить координаты третьей вершины Е, которая и будет являться удаленным источником. Чтобы удаленный источник Е являлся полюсом ортодромической системы координат, угловой размер стороны АЕ сферического треугольника задается равным π/2. В полученном сферическом треугольнике известны две стороны АС и АЕ, а также угол между ними ∠CAE=α, что является типовой задачей решения сферического треугольника. С использованием теоремы косинусов сторон сферического треугольника определяется третья сторона и координаты (x, y, z) удаленного источника Е.
Расстояние, пройденное фронтом волны между i-м и центральным элементом приемной решетки определяется как разность расстояний АЕ и BE (фиг.1) и записывается в виде:
i
i
i
j
где (x, y, z) координаты i-го элемента приемной решетки в момент времени t.
Решение о правильности проверяемой гипотезы принимается при превышении суммарным сигналом заданного порогового уровня. При этом считается, что обнаружено ионосферное возмущение, а соответствующие значения α и V, для которых суммарный сигнал приемной решетки превысил пороговое значение, считаются оценками направления прихода и фазовой скорости распространения обнаруженного ионосферного возмущения.
i
i
Таким образом, предложенный способ обеспечивает более точное, с учетом кривизны Земли, определение расстояния Δρ в протяженных приемных решетках, что в свою очередь приводит к повышению точности определения временных сдвигов Δτ, повышению амплитуды суммарного сигнала за счет увеличения степени синфазности сложения рядов вариаций ПЭС и, как следствие, к повышению чувствительности обнаружения ионосферного возмущения и повышению точности определения направления прихода и скорости распространения ионосферного возмущения.
Кроме того, проверка всех возможных гипотез о значениях скорости распространения и направления прихода волны в заданном секторе обзора обеспечивает обнаружение и определение пространственно-временных параметров ионосферных возмущений, одновременно пришедших на приемную решетку с различных направлений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Afraimovich, E.L., E.A.Kosogorov, N.P.Perevalova, and A.V.Plotnikov, The use of GPS arrays in detecting shock-acoustic waves generated during rokcet launchings J. Atmos. Solar-Terr. Phys., V.63, 1941-1957, 2001.
2. Афраймович Э.Л., Чернухов В.В., Кирюшкин В.В. Способ обнаружения, измерения фазовой скорости и направление прихода ионосферного возмущения. Патент Российской Федерации №2189052, зарегистрирован в Государственном реестре изобретений Российской Федерации, г.Москва, 10 сентября 2002 г., (прототип).
3. Calais E., Minster J.B. GPS detection of ionospheric perturbations following a Space Shuttle ascent // Geophys. Res. Lett. V.23. P.1897-1900, 1996.