УСТРОЙСТВО ДВУХЧАСТОТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ИОНОСФЕРЫ

Предлагаемая полезная модель относится к спутниковой радионавигации и связи и может быть использована в системах мониторинга за состоянием ионосферы.
Как известно, воздействие на ионосферу ряда факторов, вызванных активностью Солнца, таких как ионосферно-магнитные бури и вспышки поглощения, приводят к изменению ее основных параметров, и оказывают существенное влияние на распространение радиоволн [1, 2].
ΔI
Одним из основных параметров ионосферы, влияющим на распространение радиоволн, является ее полное электронное содержание I, величина которой может измеряться при двухчастотном режиме работы систем спутниковой навигации [3]. В общем случае I представляет собой гауссовский случайный процесс и в любой момент времени определяется как сумма  среднего значения  полного электронного содержания ионосферы и ее флуктуации ΔI относительно . Флуктуации полного электронного содержания ионосферы ΔI характеризуются среднеквадратическим отклонением  или интенсивностью неоднородностей ионосферы (β~σ/) [2].
-3
-2
-1
Известно [1], что в условиях нормальной ионосферы интенсивность неоднородностей ионосферы составляет β=10…10, а при возмущениях ионосферы может возрастать до β=10…1 [2]. Величина β определяет глубину и интервалы частотной и пространственной корреляции замираний принимаемых сигналов в спутниковых системах радионавигации и связи [2].
ΔI
Целью является разработка устройства, позволяющего определять значение интенсивности неоднородностей ионосферы β в зависимости от изменения величин среднеквадратического отклонения σ и математического ожидания  полного электронного содержания ионосферы по результатам двухчастотных измерений случайных значений полного электронного содержания ионосферы I.
Технический результат, который может быть получен с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к измерению глубины и интервалов пространственной и частотной корреляции интерференционных замираний в трансионосферных каналах связи, которые сильно зависят от величины интенсивности неоднородностей ионосферы.
Известно устройство измерения полного электронного содержания ионосферы I при двухчастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации [3], 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) (фигура 1). Недостаток данного устройства в том, что оно не позволяет оценить величину интенсивности неоднородностей ионосферы β.
BX
j
1
2
ф1,2
k
1
2
ф1,2
k
ф1,2
k
k
k
k-1
ф1
ф2
1
2
ф1,2
k
Известное устройство измерения полного электронного содержания ионосферы при двухчастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации 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). 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 номиналы несущих частот f и f 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. С выхода аналого-цифрового процессора первичной обработки (4) оценки фазового времени распространения τ(t) радиосигнала на несущих частотах f и f поступают на вход блока вычисления фазового пути сигнала (5), реализующего алгоритм Д(t)=cτ(t) с шагом T=t-t=0,02 с, где Д и Д - фазовые пути сигнала (фазовые измерения псевдодальности) при трансионосферном распространении радиоволн на частотах f и f соответственно. Значения Д(t) поступают на вход блока вычисления полного электронного содержания ионосферы I (6). С выхода блока вычисления полного электронного содержания ионосферы (6) данные поступают на устройство вывода информации (7).
ΔI
Реализацию предлагаемого устройства, позволяющего определять значение интенсивности неоднородностей ионосферы β в зависимости от изменения величин среднеквадратического отклонения σ и математического ожидания  полного электронного содержания ионосферы I, позволит осуществить устройство двухчастотного измерения интенсивности неоднородностей ионосферы, схема которого приведена на Фиг.2. Выражение для расчета интенсивности неоднородностей ионосферы имеет вид [2]:
ΔI
2
где σ - среднеквадратическое отклонение флуктуаций полного электронного содержания ионосферы [эл/м];
Э
Э
5
h - эквивалентная толщина ионосферного слоя (h=5·10 м);
S
S
l - характерный масштаб неоднородностей (l=400 м);
2
- математическое ожидание полного электронного содержания ионосферы [эл/м] (среднее значение полного электронного содержания).
Известное выражение (1) удобнее записать в виде
где  - постоянный безразмерный коэффициент.
Для решения поставленной задачи в известное (Фиг.1) устройство измерения полного электронного содержания ионосферы при двухчастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации [3] добавлены следующие блоки: блок вычисления среднеквадратического 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).
BX
j
1
2
ф1,2
k
ф1,2
k
k
k
k-1
ф1,2
k
ф1,2
k
ΔI
ΔI
ΔI
Предлагаемое устройство (фигура 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 номиналы рабочих частот f и f 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. С выхода аналого-цифрового процессора (4) на вход блока вычисления фазового пути сигнала (5), реализующего алгоритм Д(t)=cτ(t) с шагом T=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 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 формулы  происходят операции центрирования, возведения в квадрат, усреднения и извлечения квадратного корня [4], и на вход блока вычисления математического ожидания полного электронного содержания ионосферы  (среднего значения полного электронного содержания) (9) [4]. 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 входы блока вычисления интенсивности неоднородностей ионосферы β (10). В блоке вычисления интенсивности неоднородностей ионосферы β (10) определяется значение интенсивности неоднородностей ионосферы согласно выражению (2)  где . Рассчитанное значение интенсивности неоднородностей ионосферы β отображается в устройстве вывода информации (7).
ΔI
к
Таким образом, в разработанном устройстве (Фиг.2) на основе величин среднеквадратического отклонения σ и математического ожидания  полного электронного содержания ионосферы I согласно известному [2] выражению  где  определяется значение интенсивности неоднородностей ионосферы β с шагом T=0,02 с.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 представлена функциональная схема известного устройства измерения полного электронного содержания ионосферы при двухчастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации [3]; на Фиг.2 представлена функциональная схема предлагаемого устройства двухчастотного измерения интенсивности неоднородностей ионосферы.
Список использованных источников
1. Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. Учебное пособие для радио-техн. спец. вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. Москва, «Высш. школа», 1975 - 280 с.
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. Пашинцев В.П., Галушко Ю.И., Спирин A.M., Коваль С.А. Устройство измерения полного электронного содержания ионосферы при двухчастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации. Патент на полезную модель №81340 от 10.03.2009 г.
4. Смирнов Н.Н., Федосов В.П., Цветков Ф.В. Измерение характеристик случайных процессов/Под. ред. В.П.Федосова: Учеб. пособие для вузов. - М.: САЙНС-ПРЕСС, 2004. - 64 с.