close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Сезонное предложение season offer;pdf

код для вставкиСкачать
РРВ-24
Распространение радиоволн и дистанционное зондирование верхней атмосферы
и космического пространства
___________________________________________________________________________________________
АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ТРАНСИОНОСФЕРНОГО
ЗОНДИРОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ СИГНАЛАМИ СПУТНИКОВЫХ
РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Д.А. Рождественский, А.Ю. Перлов
ОАО «Радиотехнический институт им. акад. А.Л. Минца»
127083, Россия, г. Москва, ул. 8 Марта, 10, стр. 1,
E-mail: [email protected], [email protected]
В данной статье приводится описание метода измерения полного электронного содержания ионосферы с помощью спутниковых радионавигационных приемников GPS и ГЛОНАСС с целью устранения ошибок, вносимых ионосферной активностью и влияющих на точность РЛС, а также приводятся экспериментальные данные измерений электронной концентрации ионосферы с помощью аппартно-программного комплекса трансионосферного зондирования ионосферы сигналами СРНС, разработанного в Радиотехническом
институте им. академика А.Л. Минца.
Ключевые слова: радиолокационные измерения, точность РЛС, ионосфера, полное электронное содержание, СРНС.
HARDWARE-SOFTWARE COMPLEX FOR TRANSIONOSPHERIC
SOUNDING IONOSPHERE USING GNSS
D.A. Rozhdestvensky, A.Y. Perlov
This article describes the method of measuring the total electron content of the ionosphere using satellite radio navigation systems GPS / GLONASS to eliminate errors introduced by ionospheric activity and affecting on the
accuracy of the radars, as well as the experimental data of measurements of the electron density of the ionosphere
using the hardware-software complex transionospheric sounding by GNSS signals developed at the Radio Engineering Institute named after academician A.L. Mintz.
Key words: radar measurements, accuracy of radar, ionosphere, total electron content, GNSS.
При прохождении радиолокационного сигнала РЛС через ионосферу его траектория вследствие эффекта рефракции отклоняется от прямой линии и становится криволинейной. Это явление
приводит к систематической ошибке определения угла места и дальности до лоцируемого объекта.
Рис. 1. Ионосферная ошибка РЛС в измерении угла места и дальности до лоцируемого объекта.
На рис. 1 схематически показано, как образуются ошибки измерения координат лоцируемого объекта.
Сплошной линией показана траектория радиолокационного сигнала отраженного от объекта. По принятому РЛС эхо-сигналу рассчитываются направление и дальность до объекта. Пунктиром показана рассчитанная РЛС дальность и направление до объекта. Точка А обозначает фактическое положение объекта. Точка О обозначает ложное положение объекта, рассчитанное РЛС без
304
РРВ-24
Распространение радиоволн и дистанционное зондирование верхней атмосферы
и космического пространства
___________________________________________________________________________________________
поправки на ионосферу. Отрезок OP – характеризует величину групповой задержки сигнала, вызванной ионосферой. Отрезок АP характеризует степень преломления траектории сигнала.
Рефракция сигнала РЛС, приводящая к систематической ошибке в определении угла места и
дальности, в свою очередь вызвана ионами и свободными электронами, которые образуются в результате ионизации, вызванной электромагнитным излучением Солнца.
Характеристикой ионосферы, позволяющей измерить величину систематической ошибки
РЛС в определении дальности и угла до лоцируемого объекта, является Полное Электронное Содержание (ПЭС) в направлении от антенны РЛС до этого объекта. ПЭС – количество электронов
между двумя точками пространства, распределенных вдоль цилиндра с поперечным сечением в 1
квадратный метр. Единицей измерения ПЭС является TECU –Total Electron Сontent Unit.
1TECU=1016 электронов/м2.
Формула ПЭС может быть записана следующим образом:
l
I
N e dl
(1)
0
где N e – локальная электронная концентрация, l – расстояние по прямой линии между РЛС и лоцируемым объектом.
Влияние ионосферы на групповую задержку радиосигнала зависит от активности Солнца.
Выделяются основные циклы ионосферной активности, обусловленные уровнем излучения Солнца и движением небесных тел:
– вращение Земли вокруг своей оси (дневной цикл);
– движение Земли по своей орбите (годовой цикл);
– циклы солнечной активности (~11 летний цикл).
По пространственному распределению основная активность ионосферы сосредоточена в экваториальной области и в полярных регионах планеты.
Эффективный метод измерения полного электронного содержания ионосферы – трансионосферное зондирование: просвечивание ионосферы сигналами спутниковых радионавигационных
систем (СРНС) таких как GPS/ГЛОНАСС и другие. Он позволяет измерять ПЭС на отрезке от антенны приемника до навигационного спутника в режиме реального времени. Навигационные
спутники равномерно распределены по всей небесной сфере, что позволяет производить измерения ПЭС на всех углах возвышения спутников. Это особенно важно для РЛС дальнего действия,
осуществляющих обзор на низких углах места. Метод измерения ПЭС с помощью трансионосферного зондирования основан на эффекте частотной дисперсии радиосигналов когда, величина
показателя преломления радиоволн зависит от частоты сигнала и от электронной концентрации
ионосферы. Зная частоту несущей сигналов и величину разности их групповых задержек, можно
вычислить ПЭС до навигационного спутника. На данный момент все навигационные спутники
систем GPS/ГЛОНАСC излучают навигационные сигналы на двух частотах L диапазона. Для GPS
это L1 и L2 – 1.575 ГГц и 1.227 ГГц соответственно. Навигационный приемник измеряет псевдодальности до НКА на двух частотах, из которых можно вычислить величину разности групповых
задержек и соответственно ПЭС ионосферы.
Формулы вычисления ПЭС по кодовым и фазовым измерениям можно представить в следующем виде [1]:
IÊ
1
f 21 f 2 2
[( P2
40.38 f 2 2 f 21
P1 )
P bt
br ],
(2)
где f1 – основная частота, f 2 – дополнительная частота, P1 – измеренная псевдодальность на основной частоте, P2 – измеренная псевдодальность на дополнительной частоте, σP – ошибка измерения псевдодальностей, bt – аппаратные межчастотные задержки в аппаратуре спутника, br –
аппаратные межчастотные задержки, возникающие в приемнике спутниковых радионавигационных сигналов.
305
РРВ-24
Распространение радиоволн и дистанционное зондирование верхней атмосферы
и космического пространства
___________________________________________________________________________________________
Iф
f 21 f 22
1
[( L λ L λ ) const1,2 σL],
40.38 f 22 f 21 1 1 2 2
(1.3)
где L1λ1 и L2 λ2 – приращения фазового пути радиосигнала, вызванные задержкой фазы в ионосфере, L1
/ 2π и L2
/ 2π – фазовые измерения GPS приемника, выполненные на частоте f1 и
f 2 соответственно (целое и дробное количество циклов π-фазы), const1, 2 – неоднозначность фазовых измерений; σL– ошибка измерения фазы.
Фазовые измерения ПЭС намного точнее кодовых, их ошибка не превышает 0.01 TECU при
30-секундном интервале усреднения [1]. Но они позволяют вычислять лишь относительное изменение ПЭС. Неоднозначность фазовых измерений может быть устранена с помощью кодовых измерений.
На рис. 2 представлены измерения ПЭС с помощью трансионосферного зондирования сигналами СРНС, произведенные с помощью аппаратно – программного комплекса, разработанного в
Радиотехническом институте им. академика А.Л. Минца. На рисунке представлены совместные
фазовые и кодовые измерения ПЭС в течении 5 сут.
Рис. 2. Измеренное ПЭС по сигналам СРНС GPS. Место измерения г. Москва. Измерения проводились в начале февраля 2014 г.
На графике представлены суточные вариации ПЭС. Можно видеть, что с восходом Солнца
ПЭС начинает расти, достигая максимума в зените Солнца и плавно, по мере движения Солнца к
закату, принимает минимальное суточное значение. Разными цветами обозначено измеренное
ПЭС от разных навигационных космических аппаратов (НКА) системы GPS, орбиты которых пересекали небесную сферу в заданном секторе в свое время.
На рис. 3 представлены орбиты пролета навигационных спутников GPS, вдоль которых измерялось ПЭС. Измерение ПЭС производилось на углах места от 60 до 90 градусов к горизонту.
Рис. 3. Орбиты НКА вдоль которых измерялось ПЭС. График в полярных координатах.
306
РРВ-24
Распространение радиоволн и дистанционное зондирование верхней атмосферы
и космического пространства
___________________________________________________________________________________________
Разработанный аппаратно-программный комплекс трансионосферного зондирования ионосферы сигналами СРНС, позволяет:
– измерять и анализировать изменение ПЭС в зависимости от времени года;
– отображать данные измерений в наглядном виде, что существенно улучшает возможности
анализа данных;
– проводить измерения в любом выбранном секторе небесной сферы;
– сравнивать измерения в разных секторах небесной сферы;
– отображать результаты измерений за выбранное время (дни, недели, годы);
– создавать и хранить базу данных измерений ПЭС ионосферы (номера спутников, псевдодальности, фазы сигналов, углы места и т.д.) с последующим отображением и анализом хранимых
данных;
– возможность удаленного мониторинга, анализа и публикации данных измерений через
сеть Интернет.
Разработанный в Радиотехническом институте им. академика А.Л. Минца аппаратнопрограммный комплекс трансионосферного зондирования сигналами СРНС, включающий в свой
состав специализированную антенну, принимающую сигналы на низких углах места с технологией подавления переотраженных сигналов, навигационный приемник и процессор предварительной
обработки сигналов, представляет собой эффективное и относительно недорогое средство для мониторинга ионосферы. Комплекс позволяет решать задачи измерения ПЭС в заданном секторе обзора РЛС, а также задачи мониторинга и анализа ионосферной активности для научных и прикладных задач.
ЛИТЕРАТУРА
1. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. ИСЗФ,
ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАН, 2006.
2. Charles Jeffrey, An Introduction to GNSS: GPS, GLONASS, Galileo and Other Global Navigation Satellite Systems, NovAtel Inc., 2010.
3. Татаринов П.В., Ясюкевич Ю.В. Определение абсолютного значения полного электронного
содержания по данным ГЛОНАСС. БШФФ-2011. Изд-во ИСЗФ СО РАН, Иркутск, 2011. С. 255–257.
307
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа