Устройство измерения интенсивности неоднородностей ионосферы

Предлагаемая полезная модель относится к спутниковой радионавигации и спутниковым системам связи и может быть использована в системах мониторинга за состоянием ионосферы. Сущность полезной модели: разработано устройство, в котором на основе величин среднеквадратического отклонения _I и математического ожидания полного электронного содержания ионосферы I согласно известному выражению , где определяется значение интенсивности неоднородностей . Предлагаемое устройство включает в себя: приемную антенну (1), радиочастотный блок (2), опорный генератор и синтезатор частот (3), аналого-цифровой процессор первичной обработки (4), блок вычисления полного электронного содержания ионосферы I (5), блок вычисления среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы _I (7), блок вычисления математического ожидания полного электронного содержания ионосферы (среднего значения полного электронного содержания) (8), блок вычисления интенсивности неоднородностей ионосферы (9), устройство вывода информации (6). П. ф-ы 2. Фиг.2.

Предлагаемая полезная модель относится к спутниковой радионавигации и связи и может быть использована в системах мониторинга за состоянием ионосферы.

Как известно, воздействие на ионосферу ряда факторов, вызванных активностью Солнца, таких как ионосферно-магнитные бури и вспышки поглощения, приводят к изменению ее основных параметров, и оказывают существенное влияние на распространение радиоволн [1, 2].

Одним из основных параметров ионосферы, влияющим на распространение радиоволн, является ее полное электронное содержание I, величина которой может измеряться при одночастотном режиме работы систем спутниковой навигации [3]. В общем случае I определяется как сумма среднего значения полного электронного содержания ионосферы I и флуктуации полного электронного содержания ионосферы I. Последняя оценивается величиной среднеквадратического; отклонения или интенсивности неоднородностей ионосферы (~_I/)[2].

Известно [1], что при нормальной ионосфере интенсивность неоднородностей составляет =10^-310^-2, а в условиях возмущений ионосферы она может возрастать до =10^-11 [2]. Величина определяет глубину и интервалы частотной и пространственной корреляции замираний принимаемых сигналов в спутниковых системах радионавигации и связи [2].

Целью является разработка устройства, позволяющего определять значение интенсивности неоднородностей ионосферы в зависимости от изменения величин среднеквадратического отклонения _I и математического ожидания полного электронного содержания ионосферы по результатам одночастотных измерений полного электронного содержания ионосферы I.

Технический результат, который может быть получен с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к измерению глубины и интервалов частотной и пространственной корреляции интерференционных замираний в трансионосферных каналах связи, которые сильно зависят от величины интенсивности неоднородностей ионосферы.

Известно устройство измерения полного электронного содержания ионосферы I при одночастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации [3], в состав которого входят: приемная антенна (1), радиочастотный блок (2), опорный генератор и синтезатор частот (3), аналого-цифровой процессор первичной обработки (4), блок вычисления полного электронного содержания ионосферы (5), устройство вывода информации (6) (фигура 1). Недостаток данного устройства в том, что оно оценивает величину полного электронного содержания ионосферы , но не позволяет оценить величину интенсивности неоднородностей ионосферы .

Известное устройство измерения полного электронного содержания ионосферы при одночастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации работает следующим образом. Приемная антенна (1) принимает электромагнитные колебания, излучаемые навигационными спутниками. С выхода приемной антенны (1) напряжение u_BX(t) поступает на вход радиочастотного блока (2), предназначенного для усиления и селекции принятых сигналов, а также понижения несущей частоты. С выхода радиочастотного блока (2) на вход аналого-цифрового процессора первичной обработки (4) подается вектор оценки цифровых сигналов y(t_j), состоящий из сигналов j=1n видимых навигационных спутников. Опорный генератор и синтезатор частот (3) формирует набор гармонических колебаний, необходимых для работы радиочастотного блока (2), аналого-цифрового процессора первичной обработки (4) и блока вычисления полного электронного содержания ионосферы I (5). В аналого-цифровом процессоре первичной обработки (4) реализованы схемы поиска и слежения за параметрами сигнала, а также выделяется навигационное сообщение, передаваемое с частотой 50 Гц (периодом Т_к=0,02 с). С выхода аналого-цифрового процессора первичной обработки (4) на вход блока вычисления полного электронного содержания ионосферы (5) поступают фазовые (t_ф,) и кодовые (t_к ) оценки времени распространения сигнала с периодом T_к =0,02 с. В блоке вычисления полного электронного содержания ионосферы (5) происходит вычисление полного электронного содержания I с интервалом T_к=0,02 с. С выхода блока вычисления полного электронного содержания ионосферы (5) данные поступают на устройство вывода информации (6).

Реализацию предлагаемого устройства, позволяющего определять значение интенсивности неоднородностей ионосферы в зависимости от изменения величин среднеквадратического отклонения _I и математического ожидания полного электронного содержания ионосферы I, позволит осуществить устройство измерения интенсивности неоднородностей ионосферы, схема которого приведена на Фиг.2. Выражение для расчета интенсивности неоднородностей ионосферы имеет вид [2]:

где _I - среднеквадратическое отклонение флуктуаций полного электронного содержания ионосферы [эл/м²];

h_Э - эквивалентная толщина ионосферного слоя (h _Э=5·10⁵ м);

l_S - характерный масштаб неоднородностей (l_S=400 м);

- математическое ожидание (среднее значение) полного электронного содержания ионосферы [эл/м²].

Известное выражение (1) удобнее записать в виде

где - постоянный безразмерный коэффициент.

Для решения поставленной задачи в известное (Фиг.1) устройство измерения полного электронного содержания ионосферы при одночастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации [3] добавлены следующие блоки: блок вычисления среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы (7), блок вычисления математического ожидания полного электронного содержания ионосферы (среднего значения полного электронного содержания) (8) и блок вычисления интенсивности неоднородностей ионосферы (9).

Предлагаемое устройство (фигура 2) работает следующим образом. Приемная антенна (1) принимает электромагнитные колебания, излучаемые навигационными спутниками. С выхода приемной антенны (1) напряжение u_BX(t) поступает на вход радиочастотного блока (2), предназначенного для усиления и селекции принятых сигналов, а также понижения несущей частоты. С выхода радиочастотного блока (2) на вход аналого-цифрового процессора первичной обработки (4) подается вектор оценки цифровых сигналов y(t_j), состоящий из сигналов j=1n видимых навигационных спутников.

Опорный генератор и синтезатор частот (3) формирует набор гармонических колебаний, необходимых для работы радиочастотного блока (2), аналого-цифрового процессора первичной обработки (4) и блока вычисления полного электронного содержания ионосферы I (5). Аналого-цифровой процессор первичной обработки (4) производит поиск и слежение за параметрами сигнала, а также выделяет навигационное сообщение, передаваемое с частотой 50 Гц (периодом T_к=0,02 с). С выхода аналого-цифрового процессора первичной обработки (4) на вход блока вычисления полного электронного содержания ионосферы I (5) поступают фазовые (t_ф) и кодовые (t_к ) оценки времени распространения сигнала с шагом T_к =0,02 с. В блоке вычисления полного электронного содержания ионосферы I (5) производится вычисление полного электронного содержания ионосферы с шагом T_к=0,02 с. Далее с выхода блока вычисления полного электронного содержания ионосферы I (5) оценки полного электронного содержания поступают на вход блока вычисления среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы _I (7), где согласно формулы происходят операции центрирования, возведения в квадрат, усреднения и извлечения квадратного корня [4] и на вход блока вычисления математического ожидания полного электронного содержания ионосферы (среднего значения полного электронного содержания) (8) [4]. С выхода блока вычисления среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы _I (7) и выхода блока вычисления математического ожидания полного электронного содержания ионосферы (8) значения среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы _I и значения математического ожидания полного электронного содержания ионосферы поступают на входы блока вычисления интенсивности неоднородностей ионосферы (9). В блоке вычисления интенсивности неоднородностей ионосферы (9) определяется значение интенсивности неоднородностей ионосферы согласно выражению (2) где . Рассчитанное значение интенсивности неоднородностей ионосферы отображается в устройстве вывода информации (6).

Таким образом, в разработанном устройстве (Фиг.2) на основе величин среднеквадратического отклонения _I и математического ожидания полного электронного содержания ионосферы I согласно известному [2] выражению где определяется значение интенсивности неоднородностей ионосферы с шагом T_к=0, 02 с.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 представлена функциональная схема известного устройства измерения полного электронного содержания ионосферы при одночастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации [3]; на Фиг.2 представлена функциональная схема предлагаемого устройства измерения интенсивности неоднородностей ионосферы.

Список использованных источников

1. Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. Учебное пособие для радио-техн. спец. вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. Москва, «Высш. школа», 1975 - 280 с.

2. Пашинцев В.П., Солчатов М.Э., Гахов Р.П. Влияние ионосферы на характеристики космических систем передачи информации: Монография. - Москва: Физматлит, 2006. - 184 с.

3. Галушко Ю.И., Пашинцев В.П., Спирин A.M. Устройство измерения полного электронного содержания ионосферы при одночастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации. Патент на полезную модель 76462 от 20.09.2008 г.

4. Смирнов Н.Н., Федосов В.П., Цветков Ф.В. Измерение характеристик случайных процессов/Под. ред. В.П.Федосова: Учеб. пособие для вузов. - М.: САЙНС-ПРЕСС, 2004. - 64 с.

Устройство измерения интенсивности неоднородностей ионосферы включает в себя приемную антенну (1), выход которой соединен с первым входом радиочастотного блока (2); выход радиочастотного блока соединен с первым входом аналого-цифрового процессора первичной обработки (4); выход опорного генератора и синтезатора частот (3) соединен со вторым входом радиочастотного блока (2), вторым входом аналого-цифрового процессора первичной обработки (4) и вторым входом блока вычисления полного электронного содержания ионосферы (5); выход аналого-цифрового процессора первичной обработки (4) соединен с первым входом блока вычисления полного электронного содержания ионосферы (5); выходы блока вычисления полного электронного содержания ионосферы (5) с входом устройства вывода информации (6), отличающееся тем, что в устройство введены блок вычисления среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы (7), блок вычисления математического ожидания полного электронного содержания ионосферы (8), входы которых соединены с выходами блока вычисления полного электронного содержания ионосферы (5), а выходы со входами блока вычисления интенсивности неоднородностей ионосферы (9); блок вычисления интенсивности неоднородностей ионосферы (9), выход которого соединен с входом устройства вывода информации (6).