УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛНОГО ЭЛЕКТРОННОГО СОДЕРЖАНИЯ ИОНОСФЕРЫ ПРИ ДВУХЧАСТОТНОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ СИСТЕМ СПУТНИКОВОЙ РАДИОНАВИГАЦИИ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использовано в спутниковых радионавигационных системах (СРНС), в спутниковых системах связи, а также в системах мониторинга ионосферы.
Цель полезной модели - разработка устройства определения полного электронного содержания ионосферы (аппаратным методом), позволяющего учитывать мелкомасштабные неоднородности ионосферы при двухчастотном режиме работы спутниковых радионавигационных систем.
Известно, что ионосфера является неоднородной средой. Ее неоднородности классифицируются следующим способом: крупномасштабные неоднородности с временным периодом порядка 1 часа, среднемасштабные неоднородности с временным периодом от 20 до 60 минут, неоднородности промежуточного масштаба с временным интервалом от 1 до 20 минут и мелкомасштабные неоднородности, временной период которых находится в пределах от долей до десятков секунд [GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли /Э.Л.Афраймович, Н.П.Перевалова - Иркутск: ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, 2006. - 480 с.]. Способ определения полного электронного содержания (ПЭС) ионосферы (с учетом ее неоднородностей) по данным двухчастотного радионавигационного приемника базируется на использовании формулы
1
2
где f, f - несущие частоты сигналов;
1
2
L, L - число оборотов фазы сигналов;
1
1
2
2
λ=c/f, λ=c/f - длины волн;
с - скорость света в вакууме.
1
2
1
2
1,2
1,2
Исходными данными для расчета ПЭС ионосферы (I) согласно (1) являются значения числа оборотов фазы (L и L) на рабочих частотах СРНС (f, f), которые зависят от состояния ионосферы. Произведение L·λ в формуле (1) определяется как
где Д - истинная дальность от навигационного спутника до приемника. В настоящее время данные о ПЭС, определяются согласно (1). Сведения об измерениях радионавигационных приемников можно получить через сеть INTERNET в формате RINEX [http://sopac.ucsd.edu/cgi-bin/dbDataByDate.cgi], с периодичностью (шагом) 5, 10 или 30 с., что свидетельствует о невозможности измерения ПЭС с учетом мелкомасштабных неоднородностей (с периодом ~1 с.). Покажем, что существует возможность измерения ПЭС много меньше 1 с. в двухчастотном радионавигационном приемнике.
1,2
1,2
1
2
Заметим, что произведение L·λ фазовый путь распространения сигналов на частотах f и f соответственно. Известно [ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. А.И.Петрова, В.Н.Харисова. Изд. 3-е, перераб. - М.: Радиотехника, 2005, 688 с.; Маслов О.Н., Пашинцев В.П. Модели трансионосферных радиоканалов и помехоустойчивость систем космической связи Приложение к журналу "Инфокоммуникационные технологии" Выпуск 4. - Самара, ПГАТИ, 2006. - 357 с.], что фазовое время при трансионосферном распространении сигнала рассчитывается согласно выражению
- поправка на среднее значение фазового времени запаздывания волны в ионосфере, определяемая средним значением ПЭС  в ионосфере;
ф
Δτ - флуктуации фазового времени запаздывания волны на выходе неоднородного ионосферного слоя относительно , определяемые флуктуациями ПЭС (ΔI=I-).
ф
ф
1,2
1,2
Сравнительный анализ выражений (2) и (3) показывает, что фазовый путь сигнала можно рассчитать как Д=сτ, а это ни что иное, как произведение L·λ формуле (2) при I=+ΔI. Тогда выражение (1), с учетом (2) и (3), примет вид
ф1
ф2
1
2
где Д и Д - фазовые пути сигнала (фазовые измерения псевдодальности) при трансионосферном распространении радиоволн на частотах f и f соответственно.
вх
j
d
j
j-1
j
ф
k
d
k
k-1
1
2
k
k
ф
k
ф
k
ф
k
Ранее известная техническая реализация вычисления ПЭС [Сетевые спутниковые радионавигационные системы / B.C.Шебшаевич, П.П.Дмитриев, Н.В.Иванцевич и др.; Под ред. B.C.Шебшаевича. - 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Радио и связь, 1993.-408 с.: ил.- ISBN 5-256-00174-4; ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. А.И.Петрова, В.Н.Харисова. Изд. 3-е, перераб. - М.: Радиотехника, 2005, 688 с.; GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли /Э.Л.Афраймович, Н.П.Перевалова - Иркутск: ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, 2006. - 480 с.] представлена на фигуре 1. Принцип работы данного устройства состоит в следующем. Антенна (1) принимает электромагнитные колебания, излучаемые навигационными спутниками (НС). С выхода антенны (1) напряжение u(t) поступает на вход приемника (2). С выхода приемника (ПРМ) на аналого-цифровой процессор первичной обработки (4) поступает вектор оценки цифровых сигналов y(t) с шагом дискретизации Т=t-t=25 нс. Этот вектор y(t) включает сигналы каждого из n видимых НС. В аналого-цифровом процессоре первичной обработки (4) реализованы схемы поиска и слежения за параметрами сигнала. На выходе аналого-цифрового процессора (4) формируются оценки фазового времени τ(t) распространения сигнала, которые поступают на вход навигационного процессора (НП) (5) с шагом (периодичностью) T=t-t=0,1 с. В НП (5) происходит вычисление координат потребителя, значения которых отображаются в устройстве вывода информации (8). Опорный генератор и синтезатор частот (3) формирует номиналы рабочих частот f и f для ПРМ (2), аналого-цифрового процессора (4) и навигационного процессора (5). Для вычисления ПЭС в моменты времени t (т.е. I(t)) значения τ(t) поступают на ЭВМ (6), где происходит расчет фазового пути сигнала (псевдодальности) Д(t)=сτ(t). Затем
ф
m
m
m-1
ф
m
m
данные о Д преобразуются в формат RINEX с шагом Т=t-t=5,10 или 30 с.и поступают на сервер SOPAG (7). С сервера (7) значения Д(t) поступают на ЭВМ (9), где происходит расчет ПЭС I(t) согласно формулы (1).
m
m
m-1
м н
m
Недостатком данной технической реализации устройства измерения ПЭС, принятого за прототип, является то, что ПЭС ионосферы рассчитывается с помощью ЭВМ, а не аппаратными способами. Кроме того, шаг расчетов, производимых ЭВМ составляет T=t-t=5, 10, 30 с., что существенно превышает период изменения мелкомасштабных неоднородностей ΔT ионосферы (от долей до десятков секунд). Такой шаг измерений Т=5, 10, 30 с. объясняется огромным объемом информации, хранимой на сервере (после многократного сжатия объем составляет порядка 400 Гбайт). Следовательно, для более точного измерения ПЭС необходимо производить измерения навигационных параметров с меньшим периодом измерений (T≪5 с) без применения ЭВМ. Потенциальное временное разрешение радионавигационных приемников (T=0,1 с.) позволяет реализовать предлагаемое устройство на базе двухчастотного радионавигационного приемника.
Поставленная цель достигается тем, что в схему приемника с двухэтапной обработкой сигналов [Сетевые спутниковые радионавигационные системы / B.C.Шебшаевич, П.П.Дмитриев, Н.В.Иванцевич и др.; Под ред. B.C.Шебшаевича. - 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Радио и связь, 1993. -408 с.: ил. -ISBN 5-256-00174-4, ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. А.И.Петрова, В.Н.Харисова. Изд. 3-е, перераб. - М.: Радиотехника, 2005, 688 с.] вместо навигационного процессора (5), рассчитывающего координаты потребителя и ЭВМ (6, 7, 8), ставится блок вычисления ПЭС в соответствии с формулой (4).
Структурная схема устройства, позволяющего измерять ПЭС, представлена на фигуре 2.
Устройство содержит приемную антенну (1). приемник (2), опорный генератор и синтезатор частот (3), аналого-цифровой процессор первичной обработки (4),
ф1
ф2
вычислитель фазовых путей Д и Д (5), вычислитель ПЭС I (6) и устройство вывода информации (7).
вх
j
d
j
j-1
1
2
ф
k
ф1,2
k
ф1,2
k
k
k-1
ф1,2
k
мн
Принцип работы данного устройства: антенна (1) принимает электромагнитные колебания, излучаемые навигационными спутниками (НС). С выхода антенны (1) напряжение u(t) поступает на вход ПРМ (2). С его выхода на вход аналого-цифрового процессора первичной обработки (4) подается вектор оценки цифровых сигналов y(t) с шагом дискретизации T=t-t=25 нc (состоящий из сигналов каждого из n видимых НС). Опорный генератор и синтезатор частот (3) формирует номиналы рабочих частот f и f на входы ПРМ (2), аналого-цифрового процессора (4) и навигационного процессора (5). В аналого-цифровом процессоре первичной обработки (4) реализованы схемы поиска и слежения за параметрами сигнала. С выхода аналого-цифровом процессора (4) оценки фазового времени распространения τ(t) поступают на вход вычислителя фазового пути сигнала (5), реализующего алгоритм Д(t)=cτ(t) c шагом T=t-t=0,1 с. Значения Д(t) поступают на вход вычислителя ПЭС I (6) в соответствии с формулой (4) с неизменным шагом T=0,1 с, обеспечивающим измерение мелкомасштабных неоднородностей (т.к Т<ΔT). Далее данные о ПЭС отображаются на устройстве вывода информации (7).