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.