научная статья по теме ТЕСТИРОВАНИЕ ТРАНСИОНОСФЕРНОГО КАНАЛА РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН ПО ДАННЫМ ГЛОБАЛЬНОЙ СЕТИ МНОГОКАНАЛЬНЫХ ДВУХЧАСТОТНЫХ ПРИЕМНИКОВ GPS Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ТЕСТИРОВАНИЕ ТРАНСИОНОСФЕРНОГО КАНАЛА РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН ПО ДАННЫМ ГЛОБАЛЬНОЙ СЕТИ МНОГОКАНАЛЬНЫХ ДВУХЧАСТОТНЫХ ПРИЕМНИКОВ GPS»

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 5, с. 532-541

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА ^^^^^^^^^^

И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

УДК 550.388.2

ТЕСТИРОВАНИЕ ТРАНСИОНОСФЕРНОГО КАНАЛА РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН ПО ДАННЫМ ГЛОБАЛЬНОЙ СЕТИ МНОГОКАНАЛЬНЫХ ДВУХЧАСТОТНЫХ ПРИЕМНИКОВ GPS

© 2004 г. Э. Л. Афраймович, В. А. Караченцев, А. А. Неудакин

Поступила в редакцию 23.07.2002 г.

Показано, что во время мощных геомагнитных возмущений погрешности определения дальности, доплеровского смещения частоты и углов прихода трансионосферных радиосигналов увеличиваются, как минимум, вдвое по сравнению с магнитоспокойными условиями.

ВВЕДЕНИЕ

Спутниковые радиотехнические системы (СРТС) со своими наземными и космическими дополнениями все активнее используются в различных сферах человеческой деятельности. Они в состоянии обеспечить глобальность, точность, непрерывность, высокую достоверность и ряд других требований при решении широкого круга технических задач. Однако использование СРТС выдвигает и новые, в ряде случаев, более высокие требования, вытекающие из необходимости обеспечения безопасности и экономичности движения наземных и воздушных объектов, а также решения специальных задач (наблюдение, аэрофотосъемка, поиск и спасение терпящих бедствие транспортных средств и людей). В равной степени это относится и к функционированию спутниковых радионавигационных систем (СРНС), а также радиоинтерферометров со сверхдлинной базой (РСДБ).

Выполнение подобных требований невозможно без учета влияния дестабилизирующих факторов в канале распространения радиоволн. Электромагнитные волны, распространяющиеся через ионосферу, испытывают самые разнообразные возмущения [1-6]. Основной характеристикой ионосферы, определяющей изменение параметров радиоволны, является интегральное (полное) электронное содержание (ПЭС) ¡(г) или его производные (по времени и пространству) ¡], ¡'х и ¡'у вдоль пути распространения.

Изменения ПЭС можно условно разделить на регулярные и нерегулярные. Регулярные изменения (сезонные, суточные), по крайней мере, для магнитоспокойной среднеширотной ионосферы, описываются моделями, дающими относительные точности прогноза ПЭС до 50...80%. Нерегулярные изменения (вариации) связаны с ионосферными неоднородностями различной природы, спектр которых носит степенной характер [3, 7, 8].

Вариации ПЭС вызывают пропорциональные изменения фазы радиосигнала ф(г, х, у) = к11(г, х, у), что приводит к возникновению погрешностей определения дальности аО = к2(1, доплеровского

смещения частоты радиосигнала а/ = к3 ¡' и углов

прихода радиоволн аах = к4 ¡х и аау = к4 ¡у. Максимальное значение погрешности определения углового отклонения можно оценить, используя со-

отношение аа = к4л/(I'x) + (I'y) . Коэффициенты ki...k4 обратно пропорциональны частоте радиосигнала fc или ее квадрату [1, 2, 9]. При вычислении используется декартова топоцентрическая система координат с осью x, направленной на восток E, и осью у, направленной на север N.

Исследования фазовых флуктуаций трансионосферных радиосигналов проводились ранее и ведутся в настоящее время с использованием радиомаяков на искусственных спутниках Земли (ИСЗ) с круговой и геостационарной орбитой [8, 10, 11]. Недостатком этих измерений является низкое временное и пространственное разрешение, отсутствие непрерывности и глобальности наблюдений. Использование международной наземной сети двухчастотных приемников навигационной системы GPS, насчитывающей к началу 2002 г. не менее 1000 пунктов и поставляющей данные в Интернет, открывает новые возможности глобального, непрерывного и полностью компьютеризированного мониторинга фазовых флуктуаций радиосигналов и связанных с ними погрешностей функционирования СРТС.

В работах [12, 13] приводились некоторые результаты исследований, связанных с прогнозированием и оценкой фазовых флуктуаций радиосигналов. Обсуждаемые в данной статье экспериментальные результаты основаны на анализе данных для набора от 100 до 300 станций GPS, полученных с 1998 по 2001 г. для различных условий геомагнитной активности (индекс Dst от -13

Широта, град 90

-90

-180 -135 -90 -45 0 45 90 135 180

Долгота, град

Рис. 1. Карта расположения приемных станций глобальной сети GPS по состоянию на начало 2002 г. Общее количество приемных пунктов не менее 1000.

до -377 nT). Общее число пролетов навигационных спутников (НС) GPS длительностью приблизительно 2.3 ч, данные которых использованы при анализе, составляло ~300000, что на несколько порядков превышает известную до сих пор статистику подобных измерений.

Далее приводится описание методик, используемых в работе, и иллюстрация их применения при анализе погрешностей функционирования СРТС. Для удобства сравнения с результатами других исследований, рассматриваемых в [8, 9], расчеты погрешностей aD, of и аа проведены для рабочей частоты fc = 300 МГц.

рядов наблюдений, как минимум, на два порядка выше, чем можно было реализовать при регистрации УКВ радиосигналов геостационарных ИСЗ или низкоорбитальных НС первого поколения - TRANSIT [7].

Для различных анализируемых событий по ряду причин были выбраны несколько отличающиеся друг от друга наборы приемных станций, однако геометрия эксперимента для всех событий была практически подобной. Координаты приемных станций, используемых в эксперименте, были получены по электронному адресу ftp://lox.ucsd.edu/pub/processing/gamit/setup/coords.txt.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

ОБ ИСПОЛЬЗУЕМОЙ БАЗЕ ДАННЫХ

Для настоящего исследования использовались доступные в Интернете данные глобальной сети приемных станций GPS (рис. 1). Как видно из рис. 1, приемные пункты довольно плотно расположены на территории Северной Америки, Европы и менее плотно - в Азии. Меньше станций на Тихом и Атлантическом океанах. Такое заполнение земной поверхности GPS-приемниками позволяет уже сегодня решать задачу глобального исследования ионосферных возмущений и их последствий с очень большим пространственным накоплением. Так, в Западном полушарии соответствующее количество станций достигает не менее 500, а количество лучей на ИСЗ - не менее 2000.. .3000. Это обеспечивает количество статистически независимых

2. РЕГУЛЯРНЫЕ ПОГРЕШНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ, ДОПЛЕРОВСКОГО СМЕЩЕНИЯ ЧАСТОТЫ И УГЛОВ ПРИХОДА РАДИОВОЛН

В последнее время создана новая технология построения глобальных карт ПЭС по данным международной сети GPS (технология Global Ionospheric Maps, GIM) [14]. Суть технологии и методика ее использования изложены в работе [15]. Карты ПЭС, получаемые по Интернету в стандартном формате IONEX [16], могут служить мощным средством для изучения регулярных погрешностей функционирования СРТС в глобальном масштабе.

В настоящее время для любого пользователя доступны двухчасовые карты ПЭС, которые рассчитываются несколькими исследовательскими группами в США и Европе.

у, км (северная широта)

300г

200

100

40° с.ш. 240° в.д.

42.5° с.ш. 245° в.д.

40° с.ш. 245° в.д.

7 dI

Дф = 8.44 х 10 fr + ф0,

f c

(5)

Определение дальности О фазовым методом основано на измерении разности фаз фх между принимаемым сигналом и опорным сигналом, формируемым в приемнике. Такое измерение может выполняться на промежуточной или несущей частоте сигнала [18]. При этом

D = c

ф£

2f '

(6)

0 100 200 300 400 500

х, км (восточная долгота)

Рис. 2. Геометрия элементарной 01М-ячейки (а, Ь, с и d - узлы ячейки).

На рис. 2 схематично представлена одна элементарная GIM-ячейка. Размер ячейки (5° по долготе и 2.5° по широте) определяется стандартом файлов IONEX. С целью упрощения преобразований, для широт, не превышающих 60°, ячейку можно представить в виде прямоугольника со сторонами de и dn. Линейный размер прямоугольной ячейки по широте не зависит от широты и равен dn = 279 км; линейный размер по долготе зависит от широты и для 40° с.ш. равен de = 436 км.

Для каждого момента времени для узлов ячейки a, b, c, d из файлов IONEX известны значения вертикального ПЭС - Ia, Ib, Ic, Id (величины ПЭС измерены в принятых в литературе единицах TECU = 1016 м-2).

Используя значения ПЭС для всех четырех узлов выбранной ячейки за интервал времени dt = = t2 - t1, можно получить значения приращения ПЭС и его производных на основе следующих выражений:

dI = (Ia1 - Ia2 + Ib1 - Ib2 + Ici " Ic2 + Id 1 " Id2)/4, (1)

4 = (Ic1 - Ib1 + Id 1 - Ia1 + Ic2 - Ib2 + Id2 - Ia2)/4de,(2) Iy = ( Ia 1 - Ib1 + Id 1 - Ic1 + Ia2 - Ib2 + Id2 - Ic2 )/4dn ,(3)

I't = (Ia2 - Ia1 + Ib2 - Ib 1 + Ic2 - Ic1 + Id2 - Id1 )/4dt, (4)

При исследовании регулярных погрешностей функционирования СРТС необходимо учитывать пропорциональную зависимость между изменениями фазы трансионосферного радиосигнала и соответствующими изменениями ПЭС dI [1, 9]:

где с - скорость распространения радиоволн в свободном пространстве.

В общем случае величину фх при трансионосферном распространении можно рассматривать как сумму двух составляющих [19]:

ф2 = ф5 + Дф,

(7)

где ф^ - главная составляющая, связанная с изменением расстояния между источником сигнала и приемником; Дф - изменение фазы, обусловленное прохождением радиосигнала через земную ионосферу.

Изменение дальности, вносимое ионосферой (ионосферная ошибка), пропорционально Дф:

aD = c

Дф

2fc

(8)

Подставляя (5) в (8), получим выражение для погрешности определения дальности аО, вносимой ионосферой:

8.44 х 10-7cdI х 1016 Л! х 1016 а О = --- = 40.3---. (9)

f

2

f

2

Как видно из (9), погрешность аО прямо пропорциональна изменению ПЭС dI и обратно пропорциональна квадрату несущей частоты.

Использование значений пространственных производных ПЭС !у и !х и производной ПЭС по времени I] дает возможность однозначно получить в каждый момент времени значения погрешностей определения угла прихода радиоволны аа и до-плеровского смещения частоты радиосигнала а/ по формулам [1, 9]:

aa =

1.39 х 102

fc2

7( IУ ) 2 + ( IX )2, (10)

, 1.34 х 10-',

af = -j-It.

fc

(11)

где fc - частота радиосигнала (Гц); ф0 - начальная фаза [17].

Процедуры (9), (10) и (11) выполняются для всех ячеек выбранного пространственного диапазона и для выбранного интервала времени суток. Один из вариантов представле

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком