СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИОНОСФЕРЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING IONOSPHERE CHARACTERISTICS AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к радиотехнике и геофизике, а именно к средствам мониторинга состояния ионосферы и измерения ее параметров с использованием космических аппаратов глобальных навигационных систем. Подобные средства мониторинга и определения параметров ионосферы могут использоваться, например, для оценки максимально применимой частоты с целью планирования сеансов декаметровой (коротковолновой) радиосвязи; краткосрочного прогнозирования катастрофических землетрясений с целью принятия необходимых мер по предупреждению возможных последствий и т.д.
Известен способ определения параметров ионосферы, реализованный в устройстве измерения полного электронного содержания ионосферы при одночастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации (Патент РФ на полезную модель №76462, опубл. 20.09.2008) на базе одночастотного радионавигационного приемника спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС и/или GPS (НАВСТАР) и включающий в себя: прием радиосигналов частотой F1 от навигационных спутников, усиление и частотную селекцию, а также понижение несущей частоты принятых радиосигналов, их аналого-цифровое преобразование и определение текущего значения полного электронного содержания ионосферы по известным выражениям. Устройство включает: приемную антенну, соединенную со входом радиочастотного блока, радиочастотный блок, соединенный с выходом синтезатора частот и со входом аналого-цифрового процессора, блок вычисления полного электронного содержания, соединенный с выходами аналого-цифрового процессора и синтезатора частот, а также со входом устройства вывода информации.
Недостатком данного способа и устройства являются ограниченные функциональные возможности, так как способ позволяет определить лишь полное электронное содержание ионосферы, т.е. интегральную характеристику ионосферы, в то время как решение большинства прикладных задач в области радиосвязи и геофизики требует знания высотного распределения электронной концентрации ионосферы.
Наиболее близким к предлагаемым является способ определения электронной концентрации ионосферы Земли, реализованный в ионосферном зонде (Патент РФ на изобретение №2042129, опубл. 20.08.1995 - [1]) на базе двухчастотной навигационной аппаратуры пользователей спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС и/или GPS (НАВСТАР).
Данный способ включает в себя следующие действия, выполняемые для каждого i-го момента времени:
прием радиосигналов от навигационных спутников на двух когерентных частотах F1 и F2,
F1
F2,
определение псевдодальностей до навигационного спутника D и D измеренных соответственно на частотах F1 и F2,
12
определение разности псевдодальностей ΔD,
e
определение полной электронной концентрации L вдоль трассы «спутник-наземный пункт»,
определение в области измерения высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) методом решения обратной задачи по Тихонову.
Устройство для реализации способа включает в себя последовательно соединенные антенну для приема радиосигналов от навигационных спутников и двухчастотный приемник спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС и/или GPS.
Недостатками данных способа и устройства являются:
1. Значительная погрешность определения высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) вследствие того, что в известном способе [1] для определения высотного профиля электронной концентрации ионосферы используется метод решения обратной задачи по Тихонову, который очень чувствителен к любым ошибкам измерений (Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. - М.: Наука, 1986, с.11, с.105; Андрианов В.А., Смирнов В.М. О точности решения обратной задачи радиопросвечивания тропосферы Земли. // Радиотехника и электроника, 1991, №6, с.1081-1087 - [2]), а прием радиосигналов от навигационных спутников сопровождается помехами, приводящими к неустойчивости получаемых решений обратной задачи методом регуляризации по Тихонову и, как следствие, значительным ошибкам при определении высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) (Андрианов В.А., Смирнов В.М. Определение высотного профиля электронной концентрации ионосферы Земли по двухчастотным измерениям радиосигналов искусственных спутников Земли. // Радиотехника и электроника, 1993, т.38. №7, с.1326-1327 - [3]; Андрианов В.А., Арманд Н.А., Мосин Е.Л., Смирнов В.М. Применение радиосигналов спутниковой навигационной системы для зондирования ионосферы Земли. Препринт ИРЭ РАН, 1995, №5 (605), 24 с. - [4]).
2. Невозможность автоматизации процесса определения параметров ионосферы, так как из-за указанной неустойчивости метода решения обратной задачи по Тихонову для получения (восстановления) высотных профилей электронной концентрации ионосферы в известном способе [1] необходимо участие оператора при подборе параметра регуляризации с целью минимизации модуля невязки получаемого решения обратной задачи в зависимости от погрешностей определения исходных данных (измерений).
Практическая реализация метода регуляризации по Тихонову при решении обратной задачи радиопросвечивания ионосферы показала, что минимизация модуля невязки трудно выполнима [2-4] и, как следствие, автоматизация процесса определения параметров ионосферы практически невозможна.
3. Значительное время определения высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z), поскольку определение высотного профиля электронной концентрации ионосферы в известном способе [1] осуществляется только с участием оператора, то общее время определения параметров ионосферы может достигать единиц часов. В то же время известно (Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. - М.: Наука, 1988, с.404-486; Э.Л.Афраймович, Н.П.Перевалова. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. - Иркутск: ГУ НЦ РВХ СО РАМН, 2006, с.41), что ионосфера имеет достаточно быстрые (порядка 10…20 минут) вариации, поэтому способ-прототип не обеспечивает требуемой оперативности определения параметров ионосферы.
По этой же причине при работе по всем наблюдаемым одновременно навигационным спутникам (в настоящее время количество одновременно наблюдаемых спутников двух систем ГЛОНАСС и GPS достигает 16) участие оператора с целью определения в реальном масштабе времени высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) физически невозможно.
4. Ограниченный диапазон углов наблюдения навигационных спутников, при котором известный способ [1] оказывается работоспособным, как следствие, незначительное количество измерений электронной концентрации ионосферы Земли. Используемый в известном способе [1] метод регуляризации Тихонова для решения обратной задачи радиопросвечивания ионосферы Земли позволяет получить решение обратной задачи лишь для ограниченного диапазона углов наблюдения навигационных спутников: приемлемая для практического применения точность определения высотного распределения электронной концентрации ионосферы достигается только в диапазоне зенитных углов наблюдения спутников 50…80 град (угол места 10-40 град), а при углах, близких к зениту (0…50 град), отличия по измерениям незначительны и, следовательно, система решаемых уравнений - вырождается [3].
Техническим результатом изобретения является повышение точности и обеспечение возможности автоматизации процесса определения параметров ионосферы, а также уменьшение времени определения параметров ионосферы при увеличении количества измерений электронной концентрации ионосферы Земли.
F1
F2
12
e
F1
F2
12
F1
F2
Технический результат достигается благодаря тому, что в способе определения электронной концентрации ионосферы, включающем в себя прием радиосигналов от навигационных спутников на двух когерентных частотах F1 и F2, определение по принятым радиосигналам псевдодальностей D и D до навигационного спутника, измеренных соответственно на частотах F1 и F2, определение по ним разности псевдодальностей ΔD, определение по разности псевдодальностей полной электронной концентрации L вдоль трассы «спутник-наземный пункт» и высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) в области измерения, согласно изобретению измеряют значения фаз ψ и ψ принятых радиосигналов, определение разности псевдодальностей ΔD осуществляют с учетом значений фаз ψ и ψ принятых радиосигналов, а определение в области измерения высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) осуществляют путем применения итерационной процедуры решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов и априорной информации о фоновом состоянии ионосферы.
12
F1
F2
F1
F2
e
Технический результат достигается также благодаря тому, что устройство для определения электронной концентрации ионосферы, содержащее антенну для приема радиосигналов от навигационных спутников, выход которой подключен к входу двухчастотного приемника спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС и/или GPS, согласно изобретению снабжено блоком обработки и отображения, вход которого подключен к выходу двухчастотного приемника, при этом блок обработки и отображения выполнен с возможностью определения разности псевдодальностей ΔD по комбинации измеренных двухчастотным приемником псевдодальностей D и D до навигационного спутника и значений фаз ψ и ψ принятых радиосигналов, а также последовательного определения полной электронной концентрации L вдоль трассы «спутник-наземный пункт» и высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) в области измерения путем применения итерационной процедуры решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов и априорной информации о фоновом состоянии ионосферы.
В отличие от известного способа [1] определение в области измерения высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) осуществляется не путем решения обратной задачи по методу Тихонова, а путем применения итерационной процедуры решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов (Мину М. Математическое программирование. Теория и алгоритмы. - М.: Наука, 1990, с.15-37, 102-104 - [5]; Тихонов Н.А., Гончарский А.В., Степанов В.В., Ягола А.Г. Регуляризирующие алгоритмы и априорная информация. - М.: Наука, 1993, с.89-94 - [6]) и априорной информации о фоновом состоянии ионосферы.
12
При этом указанная процедура реализована для измерений разности псевдодальностей ΔD, получаемой в результате комбинации дальномерных измерений и дополнительных фазовых измерений, позволяющей оценивать значения разности псевдодальностей с точностью фазовых измерений, которые имеют более высокую точность по сравнению с другими видами измерений, что объясняется меньшей длиной волны этого сигнала относительно кодового (дальномерного) сигнала.
На фиг.1 представлена схема, иллюстрирующая последовательность действий предложенного способа.
На фиг.2 представлена схема устройства для реализации предложенного способа.
На фиг.3 представлен вид высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z), полученный предлагаемым способом.
Предлагаемый способ определения параметров ионосферы Земли включает в себя следующие действия, выполняемые для каждого i-ro момента времени:
прием радиосигналов от навигационных спутников на двух когерентных частотах F1 и F2,
F1
F2
F1
F2
определение псевдодальностей до навигационного спутника D и D, измеренных соответственно на частотах F1 и F2, и соответствующих значений фаз ψ и ψ принятых радиосигналов,
12
F1
F2
F1
F2
определение разности псевдодальностей ΔD по комбинации выполненных измерений псевдодальностей до навигационного спутника D и D и соответствующих значений фаз ψ и ψ принятых радиосигналов,
e
определение полной электронной концентрации L вдоль трассы «спутник-наземный пункт», определение в области измерения высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) путем применения итерационной процедуры решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов и априорной информации о фоновом состоянии ионосферы.
12
F1
F2
F1
F2
F1
F2
F1
F2
12
В предлагаемом способе определение разности псевдодальностей ΔD по комбинации выполненных измерений D, D и ψ, ψ производится следующим образом: в каждый i-й момент времени после определения псевдодальностей до навигационного спутника D и D, измеренных соответственно на частотах F1 и F2, и соответствующих значений фаз ψ и ψ принятых радиосигналов, производится определение разности псевдодальностей ΔD по формуле:
12
1
F1
2
F2
1
F1
2
F2
F1
F2
ΔD(i)=(λΨ(i)-λΨ(i))+(Σ[(λΨ(i)-λΨ(i)]+[D(i)-D(i)])/M,
где Σ - знак суммирования по переменной i от 1 до M;
M - количество временных измерений, принятых в обработку;
1
2
λ, λ - длина волны излучения соответственно на частотах F1 и F2.
e
В предлагаемом способе определение полной электронной концентрации L вдоль трассы «спутник - наземный пункт» осуществляется по формуле:
где δ - погрешность фазовых измерений (реально величина погрешности в линейной мере составляет единицы миллиметров).
12
В предположении сферически слоистой среды (справедливого для ионосферы Земли в пределах интервала наблюдений) разность псевдодальностей ΔD связана с функцией высотного распределения электронной концентрации ионосферы N(z) следующим образом:
1
2
где z и z - предполагаемые высоты нижней и верхней границы ионосферы соответственно,
ϑ - зенитный угол наблюдения спутника с пункта измерений в каждый i-й момент времени,
a - радиус Земли,
z - текущая высота от поверхности Земли.
Решение этого уравнения относительно неизвестной (искомой) функции N(z) относится к классу некорректно поставленных задач - определению функции N(z) по измеренному значению влияния среды распространения - и
осуществляется методом сопряженных градиентов [5, 6].
В операторном виде это уравнение можно переписать в следующем виде:
Aφ=U,
где A - интегральный оператор; φ - функция, описывающая распределение параметров среды распространения (распределение электронной концентрации); U - влияние среды, в данном случае разность псевдодальностей.
При этом решение приведенного уравнения относительно неизвестной функции N(z) сводится к поиску такой функции φ, при которой функционал  достигает минимума, значение которого определяется в основном погрешностью фазовых измерений.
i
i+1
i
i+1
i
i
i
i
i
i
i-1
0
0
0
0
Суть метода сопряженных градиентов заключается в следующем. Элементы φ минимизирующей последовательности определяются по следующей схеме. Каждый последующий элемент последовательности φ связан с предыдущим φ соотношением φ=φ-αp, где p=-gradϕ(z)+βp - направление градиента функции, p=-gradϕ(z),  - величина оптимального шага вдоль направления градиента, z - нулевое приближение решения задачи (в общем случае z - произвольная допустимая точка),  означает скалярное произведение.
В предлагаемом способе в качестве априорной информации о фоновом состоянии ионосферы (в качестве нулевого приближения решения задачи) может использоваться, например, долгосрочный прогноз ионосферы, основанный на какой-либо модели ионосферы, например IRI-2007 (International Reference Ionosphere).
i
При достижении минимума функционала элементы φ минимизирующей последовательности представляют собой искомое решение и соответствуют высотному профилю электронной концентрации ионосферы N(z).
Блок-схема устройства, реализующего заявленный способ, представлена на фиг.2 и включает в себя: антенну 1 для приема радиосигналов от навигационных спутников, двухчастотный приемник 2 спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС и/или GPS, а также блок 3 обработки и отображения. При этом выход антенны 1 подключен к входу двухчастотного приемника 2, а выход последнего подключен к входу блока 3 обработки и отображения.
Антенна 1 для приема радиосигналов от навигационных спутников может быть выполнена, например, в виде антенны типа GPS-702-GGL (производитель NovAtel, Канада).
Двухчастотный приемник 2 спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС и/или GPS может быть выполнен, например, в виде приемника типа ProPak-V3 (производитель NovAtel, Канада).
Блок 3 обработки и отображения 3 может быть выполнен, например, в виде стандартного персонального компьютера.
Устройство, реализующее заявленный способ, функционирует следующим образом.
F1
F2
F1
F2
Сигналы от навигационных спутников, излучаемые на двух когерентных частотах F1 и F2, принимаются антенной 1 и поступают на вход двухчастотного приемника 2, в котором происходит стандартная обработка принятых сигналов с целью определения псевдодальностей до того или иного навигационного спутника D и D, а также определения значений фаз Ψ и Ψ принятых радиосигналов (измеренных соответственно на частотах F1 и F2).
F1
F2
F1
F2
Выходные сигналы двухчастотного приемника 2, несущие информацию о псевдодальностях D и D до того или иного навигационного спутника, измеренных соответственно на частотах F1 и F2 и соответствующих значений фаз Ψ и Ψ принятых радиосигналов, поступают на вход блока 3 обработки и отображения.
12
e
Блок 3 обработки и отображения определяет разность псевдодальностей ΔD по комбинации сделанных двухчастотным приемником 2 дальномерных и фазовых измерений, а также выполняет определение полной электронной концентрации L вдоль трассы «спутник - наземный пункт» описанным выше образом.
12
По полученным значениям разности псевдодальностей ΔD блок 3 обработки и отображения проводит определение в области измерения высотного профиля электронной концентрации ионосферы Ne(h) путем применения итерационной процедуры [5, 6] решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов и априорной информации о фоновом состоянии ионосферы, получаемой на основе какой-либо модели ионосферы, например IRI-2007 (International Reference Ionosphere).
Пример реализации предлагаемого способа определения параметров ионосферы приведен ниже.
F1
F2
F1
F2
После приема радиосигналов (на двух когерентных частотах F1 и F2) и их обработки в двухчастотном приемнике спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС и/или GPS определяется совокупность соответствующих значений псевдодальностей D и D, а также значений фаз Ψ и Ψ для каждого навигационного спутника, находящегося в зоне видимости приемника. Пример исходного массива данных для одного спутника приведен в таблице.
Время, UT час/мин/сек
Время, сек
D<sub>F1</sub>, м
D<sub>F2</sub>, м
Ψ<sub>F1</sub>, рад
Ψ<sub>F2</sub>, рад
Угол места, град
Азимут, град
17:57:57
64677.0
21750210.307
21750211.683
114298170.044
89063496.902
40
32
17:57:58
64678.0
21750373.143
21750375.054
114299024.913
89064163.034
40
32
17:57:59
64679.0
21750536.662
21750538.744
114299880.412
89064829.642
40
32
17:58:00
64680.0
21750700.511
21750702.151
114300736.564
89065496.749
40
32
17:58:01
64681.0
21750864.181
21750865.602
114301593.350
89066164.408
40
32
17:58:02
64682.0
21751027.577
21751029.209
114302450.872
89066832.603
40
32
17:58:03
64683.0
21751191.263
21751194.277
114303309.205
89067501.426
40
32
17:58:04
64684.0
21751354.477
21751358.009
114304168.226
89068170.779
40
32
17:58:05
64685.0
21751518.052
21751520.914
114305027.841
89068840.615
40
32
17:58:06
64686.0
21751682.495
21751684.014
114305888.153
89069510.984
40
32
17:58:07
64687.0
21751847.377
21751847.534
114306749.144
89070181.865
40
32
17:58:08
64688.0
21752011.458
21752010.962
114307610.897
89070853.370
40
32
17:58:09
64689.0
21752175.143
21752174.563
114308473.283
89071525.368
40
32
17:58:10
64690.0
21752338.698
21752339.803
114309336.345
89072197.887
40
32
17:58:11
64691.0
21752502.602
21752503.532
114310199.969
89072870.891
40
32
17:58:12
64692.0
21752666.664
21752668.409
114311064.338
89073544.406
40
32
17:58:13
64693.0
21752831.128
21752832.557
114311929.355
89074218.459
40
32
17:58:14
64694.0
21752995.984
21752997.243
114312794.974
89074892.972
40
32
17:58:15
64695.0
21753161.651
21753163.611
114313661.305
89075568.018
40
32
17:58:16
64696.0
21753325.777
21753328.607
114314528.453
89076243.713
40
32
17:58:17
64697.0
21753490.996
21753493.553
114315396.396
89076920.039
40
32
17:58:18
64698.0
21753656.430
21753658.290
114316265.154
89077596.988
40
32
17:58:19
64699.0
21753822.548
21753824.158
114317134.608
89078274.488
40
32
17:58:20
64700.0
21753988.240
21753990.231
114318004.706
89078952.467
40
32
17:58:21
64701.0
21754154.307
21754157.077
114318875.529
89079631.023
40
32
17:58:22
64702.0
21754320.593
21754322.762
114319747.023
89080310.117
40
32
F1
F2
F1
F2
По приведенной совокупности значений D, D, Ψ и Ψ осуществляется определение высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) описанным выше образом.
F1
F2
F1
F2
Вид высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z), полученный предлагаемым способом по результатам обработки вышеприведенных значений D, D, Ψ и Ψ, представлен на фиг.3.
Таким образом, благодаря заявленной совокупности существенных признаков достигается технический результат изобретения, заключающийся в повышении точности и обеспечении возможности автоматизации процесса определения параметров ионосферы, а также уменьшении времени определения параметров ионосферы при увеличении количества измерений электронной концентрации ионосферы Земли.
Повышение точности определения параметров ионосферы достигается за счет:
12
12
- использования в качестве исходных данных для определения высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) результатов измерений разности псевдодальностей ΔD, получаемых в результате комбинации дальномерных и фазовых измерений и позволяющих оценивать значения разности псевдодальностей ΔD с более высокой точностью;
- уменьшения погрешности определения высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) вследствие использования в заявленном способе итерационной процедуры решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов и априорной информации о фоновом состоянии ионосферы, которая менее чувствительна к любым ошибкам измерений по сравнению с методом решения обратной задачи по Тихонову [2, 5, 6].
Обеспечение возможности автоматизации процесса определения параметров ионосферы достигается за счет использования в заявленном способе итерационной процедуры решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов, который в отличие от метода решения обратной задачи по Тихонову, не требует участия оператора при его реализации, т.к. существуют стандартные математические подходы к автоматическому вычислению градиентов функций [5, 6].
Уменьшение времени определения параметров ионосферы достигается за счет обеспечения возможности автоматизации процесса определения высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) путем применения итерационной процедуры решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов. Заявляемый способ обеспечивает на практике уменьшение времени определения параметров ионосферы с единиц часов до 1…2 минут при количестве одновременно наблюдаемых спутников до 12…16, что позволяет обеспечить требуемую оперативность определения параметров ионосферы не только в условиях меленных, но в условиях быстрых вариаций ионосферы.
Увеличение количества измерений электронной концентрации ионосферы Земли достигается за счет:
- уменьшения времени определения параметров ионосферы в каждой области проводимых измерений (для каждого спутника) путем автоматизации процесса определения высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) и, как следствие, увеличения количества измерений за единицу времени;
- расширения диапазона углов наблюдения навигационных спутников, при котором заявленный способ оказывается работоспособным.
Заявленный способ в отличие от способа [1] за счет применения итерационной процедуры решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов, оказывается работоспособным практически во всем диапазоне зенитных углов наблюдения спутников (от 0 до 80 град).