СПОСОБ ПАССИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИОНОСФЕРЫ
METHOD FOR PASSIVE DETERMINATION OF PARAMETERS OF IONOSPHERE

Изобретение относится к геофизике и радиотехнике, а именно применяется в процессе мониторинга состояния ионосферы с определением ее параметров при помощи навигационных спутников. Решение задачи определения параметров ионосферы позволяет рассчитать максимально-применимые частоты коротковолновых радиотрасс.
Известны способы для решения задач пассивного определения параметров ионосферы - применение полуэмпирических моделей ионосферы, радиопросвечивание с использованием спутниковых сигналов и комбинирование этих двух способов.
Известен способ определения параметров ионосферы [1], заключающийся в использовании приема двух частот от спутников ГЛОНАСС/GPS. Восстановление профиля электронной концентрации ионосферы производится путем решения обратной задачи по Тихонову. Среди недостатков данного способа следует отметить низкую точность и скорость расчета. Обусловлено это тем, что метод решения обратной задачи по Тихонову очень чувствителен к любым ошибкам измерений, и расчет в предлагаемом способе осуществляется только с участием оператора, что приводит к значительному увеличению общего времени определения параметров ионосферы. Также к недостатку рассматриваемого способа можно отнести восстановление профиля в ограниченной области действия при углах места (50…80 градусов), что неприемлемо для решения многих практических задач, например прогноз характеристик KB радиолиний.
D12
e
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ определения электронной концентрации ионосферы [2], включающий в себя прием радиосигналов от навигационных спутников на двух когерентных частотах F1 и F2, определение по принятым радиосигналам разности псевдодальностей Δ, расчет полной электронной концентрации L вдоль трассы «спутник-наземный пункт». Определение высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) в области измерения осуществляют путем применения итерационной процедуры решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов и априорной информации о фоновом состоянии ионосферы.
Недостатком способа-прототипа является ограничение области восстановления профиля электронной концентрации ионосферы зоной видимости навигационных спутников, что может быть недостаточно при расчете траекторий распространения КВ радиоволн. Также следует отметить, что объекты, находящиеся в области расположения приемной антенны, также уменьшают зону видимости космических аппаратов (особенно актуально в городских условиях), что понижает возможности данного способа. Вторым недостатком является необходимость проведения итерационной процедуры расчета для каждой искомой точки, что при большом количестве точек сильно уменьшит быстродействие. Указанные недостатки, очевидно, ограничивают возможность применения способа при определении параметров ионосферы.
Задача изобретения - расширение области действия и повышение быстродействия определения параметров ионосферы при приеме электромагнитных сигналов от нескольких спутников, в условиях априорной неопределенности относительно шумов и помех.
К
Ф
10.7
10.7
Поставленная задача достигается тем, что в способе пассивного определения параметров ионосферы с помощью двухчастотного приема сигналов GPS/ГЛОНАСС измеряют циклы фаз спутниковых радиосигналов, псевдодальности по коду до космических аппаратов (КА) и координаты КА, полученные данные записывают в буферные запоминающие устройства (БЗУ), при этом в начале работы проводят первичную обработку данных, заключающуюся в вычислении в каждый момент времени значений набора полного электронного содержания (ПЭС) для видимых КА (ПЭС и ПЭС), с учетом вычитания значений постоянного смещения ПЭС IFB для каждого КА, хранящихся в запоминающем устройстве (ЗУ), одновременно определяют координаты точки пересечения направления на КА с максимумом слоя F2 и отправляют их в устройство формирования сканирующей сетки, где вычисляют, с использованием выбранной модели, значения ПЭС для каждого КА с учетом полученных координат для заданных вариантов интенсивности солнечного радиоизлучения на волне 10,7 см (F) и в устройстве сглаживания данных, на основе получаемых значений ПЭС и рассчитанных ранее значений ПЭС, хранящихся в БЗУ, определяют сглаженные значения ПЭС, далее, используя значения ПЭС, полученные с использования данных ГЛОНАСС/GPS, и значения, полученные с использованием выбранной модели ионосферы, формируют корреляционные матрицы данных и составляют функционал, минимизируя который, определяют скорректированное значение F и, используя полученное значение и выбранную модель ионосферы, формируют распределение электронной концентрации в требуемой области, причем информацию о необходимых географических координатах получают с ЗУ.
Достигаемый технический результат - расширение области действия определения параметров ионосферы достигается за счет адаптации модели ионосферы с использованием данных, полученных при помощи навигационных спутниковых систем; повышение быстродействия определения параметров ионосферы достигается за счет сведения многомерной оптимизации к минимизации функционала специального вида, позволяющего проводить автоматическую коррекцию модели по параметру интенсивности солнечной активности.
Перечень фигур
Фиг. 1 Представлена схема устройства.
Фиг. 2 Представлена схема эксперимента.
10.7
Фиг. 3 Представлены зависимости полного электронного содержания от времени суток для способов, использующих значения F и данные ионозонда, и предлагаемого способа для Томска.
10.7
Фиг. 4 Представлены зависимости полного электронного содержания от времени суток для способов, использующих значения F и данные ионозонда, и предлагаемого способа для Подкаменной Тунгуски.
Устройство, реализующее предложенный способ, содержит (фиг. 1) антенну ГЛОНАСС/GPS 1, двухчастотное радиоприемное устройство (РПУ) ГЛОНАСС/GPS 2, буферные запоминающие устройства (БЗУ) 3.1, 3.2, устройство первичной обработки данных 4, запоминающие устройства (ЗУ) 5.1, 5.2, устройство сглаживания данных 6, устройство формирования сканирующей сетки 7, решающее устройство 8, устройство моделирования ионосферы 9, отображающее устройство 10.
Выход антенны ГЛОНАСС/GPS 1, подключен к входу двухчастотного радиоприемного устройства 2 и через его выход - к входу буферного запоминающего устройства 3.1, выход которого соединен с входом устройства первичной обработки данных 4. Выход ЗУ 5.1 соединен с входом устройства первичной обработки данных 4. Выходы устройства первичной обработки данных 4 соединены с входом устройства сглаживания данных 6, входом устройства формирования сканирующей сетки 7 и входом буферного запоминающего устройства 3.2, выход которого соединен с входом устройства сглаживания данных 6. Выходы устройства сглаживания данных 6 и устройства формирования сканирующей сетки 7 подключены к входу решающего устройства 8, выход которого соединен с входом устройства моделирования ионосферы 9. Выход ЗУ 5.2 соединен с устройством моделирования ионосферы 9, выход которого подключен к входу отображающего устройства 10.
Антенна ГЛОНАСС/GPS 1 обеспечивает прием спутниковых сигналов, может быть выполнена, например, в виде спиральной антенны.
Двухчастотное радиоприемное устройство ГЛОНАСС/GPS 2 может быть выполнено с применением цифровой элементной базы, например, по схемам, приведенным в [1, 2]. Обеспечивает синхронное измерение циклов фаз принятых на выходе антенны 1 спутниковых радиосигналов, псевдодальностей по коду до космических аппаратов (КА) и координат КА в текущий момент времени.
Буферное запоминающее устройство 3.1 обеспечивает регистрацию данных, полученных с двухчастотного радиоприемного устройства ГЛОНАСС/GPS на время последующей обработки.
Буферное запоминающее устройство 3.2 обеспечивает накопление сглаженных значений полного электронного содержания (ПЭС) для каждого КА.
Устройство первичной обработки входных данных 4 определяет количество доступных КА, координаты точки пересечения направления на КА с максимумом слоя F2 и реализует функцию определения ПЭС по формуле [3]:
где R - радиус Земли, h - высота ионосферы, ПЭСН - наклонное значение ПЭС, определяемое для фазовых (ф) и кодовых измерений (к) по формулам:
L1
L2
L1
L2
L1
L2
где f, f - частоты КА, p, p - псевдодальности по коду, измеренные РПУ для каждой частоты, ф, ф - псевдодальности, измеренные по количеству циклов фазы, IFB - значения смещения ПЭС для каждого КА.
Запоминающее устройство 5.1 обеспечивает хранение значений смещения ПЭС для каждого КА [3], полученных в результате калибровки устройства.
Запоминающее устройство 5.2 обеспечивает хранение значений географических координат, для которых необходимо рассчитать параметры ионосферы.
Устройство сглаживания данных 6 реализует функцию сглаживания полученных значений ПЭС для каждого КА в i-й момент времени по формуле:
m
n
где w, w - весовые коэффициенты, связанные соотношением:
Устройство формирования сканирующей сетки 7 реализует функцию формирования значений ПЭС для каждого КА согласно используемой модели ионосферы (NeQuick, IRI-2014 и т.д.) с использованием набора значений интенсивности солнечного радиоизлучения на волне 10,7 см.
10.7
Решающее устройство 8 производит определение значения интенсивности солнечного радиоизлучения на волне 10,7 см (F) в области видимости КА путем минимизации функционала, определяющего отклонение модели от реальных данных, например:
model
10.7
где R - корреляционная матрица данных значений ТЕС для видимых КА в установленный период времени, R(F) - корреляционная матрица данных значений ТЕС, рассчитанных на основе используемой модели ионосферы в устройстве 7.
Устройство моделирования ионосферы 9 реализует функцию расчета высотного распределения электронной концентрации, согласно выбранной модели ионосферы (NeQuick, IRI-2012 и т.д.) в точках, записанных в ЗУ 5.2.
Отображающее устройство 10 реализует вывод данных о распределении электронной концентрации ионосферы в заданных точках.
Изобретение осуществляется следующим образом. Принимают радиосигналы с КА ГЛОНАСС/GPS на антенну 1 и посредством радиоприемного устройства 2 измеряют циклы фаз спутниковых радиосигналов, псевдодальности по коду до космических аппаратов и координаты КА. Полученные данные записывают в БЗУ 3.1.
К
Ф
В начале работы устройства проводят первичную обработку данных, заключающуюся в вычислении в каждый момент времени значений набора ПЭС для видимых КА (ПЭС и ПЭС), с учетом вычитания значений постоянного смещения ПЭС IFB для каждого КА, хранящихся в ЗУ 5.1. Одновременно определяют координаты точки пересечения направления на КА с максимумом слоя F2 и отправляют их в устройство формирования сканирующей сетки в устройстве 7.
10.7
На втором этапе обработки в устройстве 7 вычисляют, с использованием выбранной модели, значения ПЭС для каждого КА с учетом полученных координат для заданных вариантов интенсивности солнечного радиоизлучения на волне 10,7 см (F). В устройстве сглаживания данных, на основе получаемых значений ПЭС и рассчитанных ранее значений ПЭС, хранящихся в БЗУ 3.2, определяют сглаженные значения ПЭС.
10.7
На третьем этапе обработки, используя значения ПЭС, полученные с использованием данных ГЛОНАСС/GPS, и значения, полученные с использованием выбранной модели ионосферы, формируют корреляционные матрицы данных и составляют функционал, минимизируя который, определяют скорректированное значение F. Далее, используя полученное значение и выбранную модель ионосферы, формируют распределение электронной концентрации в требуемой области, информацию о необходимых географических координатах получают с ЗУ 5.2. Информацию о распределении электронной концентрации в заданных точках выводят в отображающем устройстве 10.
Приведем пример реализации предлагаемого способа определения параметров ионосферы.
10.7
В окрестности г. Омска производился прием сигналов спутниковых навигационных систем GPS/ГЛОНАСС с использованием двухчастотного приемника фирмы NovAtel. После первичной обработки радиосигналов с помощью аналитической модели ионосферы NeQuick вычислялись значения ПЭС для каждого КА. Затем формировались корреляционные матрицы и составлялся функционал, по минимизации которого определялось скорректированное значение F. Вычисленные значения использовались для определения параметра ионосферы в районах станций вертикального зондирования (ВЗ) Томск и Подкаменная Тунгуска. Схема проводимого эксперимента отображена на фиг. 2.
10.7
10.7
Для проверки заявленного способа проводился анализ результатов измерений путем сравнения значений ПЭС, полученных по скорректированным (предложенный способ) и измеренным (данные сайта http:/spaceweather.com) значениям F, со значениями ПЭС,  вычисленными по данным станций ВЗ: Томск (фиг. 3) и Подкаменная Тунгуска (фиг. 4). Определение среднего квадратичного отклонения (СКО) выявило, что при удалении от точки измерений ошибка предложенного способа возросла, но его выигрыш над способом без коррекции значений F остался прежним: 2,5 раза.
Источники информации
1. П. №2042129, G01S 13/95, опубликован 20.08.1995 г.
2. П. №2421753,G01S 13/95, опубликован 20.06.2011.
3. Zhang Y., Wu F., Kubo Ν., Yasuda Α. TEC Measurement By Single Dual-frequency GPS Receiver, Proceedings of the 2003 international Symposium on GPS/GNSS, November 2003.