Устройство измерения высотного распределения электронной концентрации неоднородной ионосферы

Предлагаемая полезная модель относится к радиотехнике и геофизике, а именно к средствам мониторинга состояния ионосферы и измерения ее параметров с использованием двухчастотного приемника спутниковых радионавигационных систем. Подобные средства мониторинга и определения параметров ионосферы могут использоваться, например, для определения оптимальной рабочей частоты с целью планирования сеансов коротковолновой радиосвязи, а также для прогнозирования показателей качества систем спутниковой связи и навигации в условиях ионосферных возмущений.
Известен программно-аппаратный комплекс ионосферного мониторинга (Патент РФ на полезную модель №93995, опубл. 10.05.2010 - [1]), содержащий приемную антенну для приема радиоволн от навигационных космических аппаратов, выход которой подключен к входу двухчастотного приемника спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС и/или GPS, а также блок обработки и отображения, вход которого подключен к выходу двухчастотного приемника.
Принцип работы комплекса [1] состоит в следующем. Навигационный космический аппарат излучает радиосигналы на двух частотах  и . При прохождении через ионосферу, характеризующуюся изменением высотного распределения электронной концентрации  по высоте z, радиоволны на частотах  и  испытывают различные задержки  и изменения фаз . На выходе приемной антенны формируются радиосигналы. На основе измерений указанных параметров принимаемых радиосигналов двухчастотный приемник определяет псевдодальности  до навигационных космических аппаратов и значения фаз . Блок обработки и отображения определяет полное электронное содержание ионосферы  вдоль радиотрассы «спутник - наземный пункт». Затем на основе данных о полном электронном содержании ионосферы  блок обработки и отображения вычисляет высотное распределение электронной концентрации ионосферы  путем применения итерационной процедуры решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов и априорной информации о фоновом состоянии ионосферы.
Недостатком известного комплекса [1] являются его ограниченные возможности определения высотного распределения электронной концентрации  в условиях возмущений ионосферы, сопровождаемых образованием мелкомасштабных ионосферных неоднородностей электронной концентрации . В этом случае высотное распределение электронной концентрации ионосферы  становится случайной величиной, описываемой суммой регулярной и флуктуационной составляющих . Следовательно, определяемое блоком обработки и отображения комплекса [1] полное электронное содержание ионосферы  при ее возмущениях также будет представлять собой сумму его среднего значения  и мелкомасштабных флуктуаций . Мелкомасштабные флуктуации полного электронного содержания ионосферы  характеризуются величиной среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания ионосферы , которая определяется высотным распределением среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации  в неоднородной ионосфере.
Изменение во времени мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания ионосферы  описывается характерным (средним) периодом флуктуаций , который может составлять от сотых долей до десятков секунд. Он намного меньше периода  флуктуаций среднего значения полного электронного содержания ионосферы , обусловленных ее суточными вариациями или крупномасштабными неоднородностями электронной концентрации (величина  обычно составляет несколько часов).
Очевидно, что реализованный в известном устройстве [1] способ вычисления высотного распределения электронной концентрации ионосферы  применим только при условии , когда период  изменений ее полного электронного содержания  во времени существенно превосходит время решения  обратной задачи вычисления высотного распределения электронной концентрации ионосферы  по результатам определения полного электронного содержания ионосферы . При этом время решения  может быть весьма значительным из-за использования итерационной процедуры для решения обратной задачи.
Отсюда следует, что в условиях ионосферных возмущений с помощью данного способа можно вычислить только высотное распределение средней электронной концентрации ионосферы , которое практически не изменяется в течение времени решения  обратной задачи, что обусловлено соотношением . Вычислить с помощью известного устройства [1] высотное распределение среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации  в неоднородной ионосфере нельзя, поскольку характерный период их флуктуаций меньше времени решения обратной задачи .
Таким образом, недостатком известного устройства [1] является отсутствие возможности вычисления высотного распределения среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации  в неоднородной ионосфере. Знание высотного распределения средней электронной концентрации ионосферы  и высотного распределения среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации ионосферы  необходимо для расчета оптимальных рабочих частот при планировании сеансов коротковолновой радиосвязи в условиях возмущений (диффузности) ионосферы.
Согласно экспериментальным данным, интенсивность мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы  на всех ее высотах z остается практически постоянной . Поэтому существует возможность вычисления высотного распределения среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации  в неоднородной ионосфере согласно выражению  на основе данных об интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы  и высотном распределении средней электронной концентрации  неоднородной ионосферы.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство двухчастотного измерения интенсивности неоднородностей ионосферы (Патент РФ на полезную модель №108150, опубл. 10.09.2011 -[2]), функциональная схема которого представлена на фиг 1. Устройство включает в себя приемную антенну 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, блок вычисления среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания ионосферы 7, блок вычисления среднего значения полного электронного содержания ионосферы 8, блок вычисления интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы 9, устройство вывода информации 10. В данном устройстве на основе вычисления величин среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания ионосферы  и среднего значения полного электронного содержания ионосферы  определяется значение интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы .
Недостаток известного устройства [2] заключается в том, что оно измеряет величину интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы , но не позволяет вычислить высотное распределение средней электронной концентрации ионосферы  и высотное распределение среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации ионосферы  относительно высотного распределения средней электронной концентрации ионосферы .
Известное устройство [2] работает следующим образом. Приемная антенна 1 принимает радиоволны, излучаемые навигационными спутниками. С выхода приемной антенны 1 радиосигнал  поступает на первый вход двухчастотного приемника 2, предназначенного для усиления и селекции принятых сигналов. С выхода двухчастотного приемника 2 на первый вход аналого-цифрового процессора первичной обработки 4 подается вектор оценки цифровых сигналов , состоящий из сигналов  видимых навигационных спутников. Опорный генератор и синтезатор частот 3 формирует номиналы рабочих частот  и  на второй вход двухчастотного приемника 2, второй вход аналого-цифрового процессора первичной обработки 4 и второй вход блока вычисления полного электронного содержания ионосферы 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 сигнала на частотах  и  поступают на вход блока вычисления фазового пути сигнала 5 для вычисления псевдодальностей до навигационного спутника  и . С выхода блока вычисления фазового пути сигнала 5 значения псевдодальностей до навигационного спутника  и  поступают на первый вход блока вычисления полного электронного содержания ионосферы 6. Далее с выхода блока вычисления полного электронного содержания ионосферы 6 оценки полного электронного содержания ионосферы  поступают на вход блока вычисления среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания ионосферы 7 и на вход блока вычисления среднего значения полного электронного содержания ионосферы 8. С выхода блока вычисления среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания ионосферы 7 значение среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания ионосферы  поступает на первый вход блока вычисления интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы 9, а с выхода блока вычисления среднего значения полного электронного содержания ионосферы 8 среднее значение полного электронного содержания ионосферы  поступает на второй вход блока вычисления интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы 9. В блоке вычисления интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы 9 определяется значение интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы  согласно выражению , где  - эквивалентная толщина ионосферы,  - характерный размер мелкомасштабных неоднородностей. Рассчитанное значение интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы  отображается в устройстве вывода информации 10.
Технический результат, который может быть получен с помощью предлагаемой полезной модели, заключается в возможности одновременного вычисления высотного распределения средней электронной концентрации ионосферы  и высотного распределения среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации  в неоднородной ионосфере.
Для достижения технического результата в известное [2] устройство двухчастотного измерения интенсивности неоднородностей ионосферы (фиг. 1) внесены следующие изменения: добавлены блок вычисления высотного распределения средней электронной концентрации ионосферы и блок вычисления высотного распределения среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в неоднородной ионосфере.
Функциональная схема предлагаемого устройства представлена на фиг 2. Устройство включает в себя приемную антенну 1, выход которой соединен с первым входом двухчастотного приемника 2; двухчастотный приемник 2, выход которого соединен с первым входом аналого-цифрового процессора первичной обработки 4; опорный генератор и синтезатор частот 3, выходы которого соединены со вторым входом двухчастотного приемника 2, со вторым входом аналого-цифрового процессора первичной обработки 4 и со вторым входом блока вычисления полного электронного содержания ионосферы 6; аналого-цифровой процессор первичной обработки 4, выход которого соединен с блоком вычисления фазового пути сигнала 5; блок вычисления фазового пути сигнала 5, выход которого соединен с первым входом блока вычисления полного электронного содержания ионосферы 6; блок вычисления полного электронного содержания ионосферы 6, выходы которого соединены с блоком вычисления среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания ионосферы 7 и блоком вычисления среднего значения полного электронного содержания ионосферы 8; блок вычисления среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания ионосферы 7, выход которого соединен с первым входом блока вычисления интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы 9; блок вычисления среднего значения полного электронного содержания ионосферы 8, выход которого соединен со вторым входом блока вычисления интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы 9 и с блоком вычисления высотного распределения средней электронной концентрации ионосферы 11; блок вычисления интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы 9, выход которого соединен с первым входом блока вычисления высотного распределения среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в неоднородной ионосфере 12; устройство вывода информации 10; блок вычисления высотного распределения средней электронной концентрации ионосферы 11, выходы которого соединены со вторым входом блока вычисления высотного распределения среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в неоднородной ионосфере 12 и со вторым входом устройства вывода информации 10; блок вычисления высотного распределения среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в неоднородной ионосфере 12, выход которого соединен с первым входом устройства вывода информации 10.
Предлагаемое устройство (фиг. 2) работает следующим образом. Приемная антенна 1 принимает радиоволны, излучаемые навигационными спутниками. С выхода приемной антенны 1 радиосигнал  поступает на первый вход двухчастотного приемника 2, предназначенного для усиления и селекции принятых сигналов. С выхода двухчастотного приемника 2 на первый вход аналого-цифрового процессора первичной обработки 4 подается вектор оценки цифровых сигналов , состоящий из сигналов  видимых навигационных спутников. Опорный генератор и синтезатор частот 3 формирует номиналы рабочих частот  и  на второй вход двухчастотного приемника 2, второй вход аналого-цифрового процессора первичной обработки 4 и второй вход блока вычисления полного электронного содержания ионосферы 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 сигнала на частотах  и  поступают на вход блока вычисления фазового пути сигнала 5 для вычисления псевдодальностей до навигационного спутника  и . С выхода блока вычисления фазового пути сигнала 5 значения псевдодальностей до навигационного спутника  и  поступают на первый вход блока вычисления полного электронного содержания ионосферы 6. Далее с выхода блока вычисления полного электронного содержания ионосферы 6 оценки полного электронного содержания  поступают на вход блока вычисления среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания ионосферы 7 и на вход блока вычисления среднего значения полного электронного содержания ионосферы 8. С выхода блока вычисления среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания ионосферы 7 значение среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания ионосферы  поступает на первый вход блока вычисления интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы 9. С выхода блока вычисления среднего значения полного электронного содержания ионосферы 8 среднее значение полного электронного содержания ионосферы  поступает на второй вход блока вычисления интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы 9 и на вход блока вычисления высотного распределения средней электронной концентрации ионосферы 11. В блоке вычисления интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы 9 вычисляется значение интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы  согласно выражению , где  - эквивалентная толщина ионосферы,  - характерный размер мелкомасштабных неоднородностей. Значение интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы  поступает с выхода блока вычисления интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы 9 на первый вход блока вычисления высотного распределения среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в неоднородной ионосфере 12. В блоке вычисления высотного распределения средней электронной концентрации ионосферы 11 вычисляется высотное распределение средней электронной концентрации ионосферы  путем применения итерационной процедуры решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов и априорной информации о фоновом состоянии ионосферы, реализованной в известном устройстве [1]. Данные о высотном распределении средней электронной концентрации ионосферы  с выхода блока вычисления высотного распределения средней электронной концентрации ионосферы 11 поступают на второй вход блока вычисления высотного распределения среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в неоднородной ионосфере 12 и второй вход устройства вывода информации 10. В блоке вычисления высотного распределения среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в неоднородной ионосфере 12 вычисляется высотное распределение среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации  в неоднородной ионосфере согласно выражению . Данные о высотном распределении среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации  в неоднородной ионосфере поступают с выхода блока вычисления высотного распределения среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в неоднородной ионосфере 12 на первый вход устройства вывода информации 10, который служит для вывода информации о высотном распределении среднего значения электронной концентрации ионосферы  и высотном распределении среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации  в неоднородной ионосфере.
Таким образом, в разработанном устройстве (фиг. 2) на основе данных об интенсивности мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы  и высотном распределении средней электронной концентрации ионосферы  согласно выражению  вычисляется высотное распределение среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации  в неоднородной ионосфере. Выходными данными устройства является информация о высотном распределении среднего значения электронной концентрации  и высотном распределении среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации  в неоднородной ионосфере.