Устройство измерения полного электронного содержания ионосферы при одночастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации

Предлагаемая полезная модель относится к спутниковой навигации, а также может быть использована в системах мониторинга состояния ионосферы. Устройство позволяет определить полное электронное содержание ионосферы с помощью навигационной аппаратуры потребителя работающей на одной частоте. Достигаемым техническим результатом является повышение точности определения полного электронного содержания ионосферы (с учетом ее мелкомасштабных неоднородностей).

П.ф-ы1.

Фиг.2.

Предлагаемая полезная модель относится к спутниковой навигации, а также может быть использована в системах мониторинга состояния ионосферы.

Условия распространения радиоволн в ионосфере существенно зависят от координат и времени, так как ионосфера неоднородна в пространстве и меняется во времени в силу влияния множества факторов: солнечного излучения, влияния метеоров, землетрясений, а также ряда причин, связанных с человеческой деятельностью.

Полное электронное содержание ионосферы зависит от неоднородностей, которые встречаются на пути распространения волны. Так как неоднородности ионосферы различаются по пространственно-временным параметрам, то можно произвести следующую их классификацию: крупномасштабные неоднородности (более 100 км) с временным периодом порядка 1 часа, среднемасштабные неоднородности (30..100 км) с временным периодом 20..60 минут, неоднородности промежуточного масштаба (1-30 км) с временным периодом от единиц секунд до 20 минут, мелкомасштабные неоднородности (менее 1 км) с временным периодом от долей до единиц секунд [GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли /Э.Л.Афраймович, Н.П.Перевалова -Иркутск: ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, 2006. - 480 с.].

Известно устройство измерения полного электронного содержания ионосферы (фигура 1) [GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли /Э.Л. Афраймович, Н.П. Перевалова - Иркутск: ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, 2006. -480 с.]. Принцип работы данного устройства заключается в следующем: антенна

(1) принимает электромагнитные колебания, излучаемые навигационными спутниками. С выхода антенны (1) напряжение u_вх(t) поступает на вход радиочастотного блока (2). Синтезатор частот (3) формирует набор гармонических колебаний, необходимых для работы радиочастотного блока (2), аналого-цифрового процессора (4) и навигационного процессора (5). Аналого-цифровой процессор первичной обработки (4) производит поиск и слежение за параметрами сигнала (фазовым t_Ф и кодовым t _k временем распространения сигнала), а также выделяет навигационное сообщение, передаваемое с частотой 20 Гц (то есть с периодом T_и=50 мс). В навигационном процессоре (5) решается задача выбора рабочего созвездия навигационных спутников из числа видимых, декодирование навигационных сообщений, в том числе альманаха и эфемеридной информации, решение навигационной задачи с выдачей координат и параметров движения объекта. Эти данные преобразуются в формат RINEX [http://igscd.gpl.nasa.gov:80/ igscd/data/format] и по каналу связи Internet поступают на сервер SOPAC (6) [ftp://sopac.ucsd.edu] с интервалом T _p=30 с. В сервере (6) результаты измерений хранятся в формате RINEX предназначенном для хранения и передачи данных навигационных измерений и по запросу электронной вычислительной машины (7) по каналу Internet поступают на ее вход.

В электронной вычислительной машине, в соответствии с формулой вычисления полного электронного содержания (I) при проведении навигационных измерений на одной частоте (f₁), происходит расчет данного параметра [Nisner P., Trethewty V., GPS Ionospheric Determinations Using LI Only// Proceeding of the 5^th International conference on "Differential Satellite Navi-gathion System". Additional Volume, St. Peterburg, Russia, May, 1996]:

D_k=c·t _k и D_ф=c·t_ф - псевдодальности измеренные по коду и по фазе;

с - скорость света;

t_k и t_ф - время распространения сигнала, измеренное по коду и по фазе.

Необходимо заметить, что совокупность блоков (1-5) представляют собой одночастотный приемник с двухэтапной обработкой данных [Сетевые спутниковые радионавигационные системы / B.C.Шебшаевич, П.П.Дмитриев, Н.В.Иванцевич и др.; Под ред. B.C.Шебшаевича.- 2-е изд., перераб. и доп.-М.: Радио и связь, 1993.-408 с.: ил.- ISBN 5-256-00174-4; ГЛОНАСС.Принципы построения и функционирования / Под ред. А.И.Петрова, В.Н.Харисова. Изд. 3-е, перераб. - М.: Радиотехника, 2005, 688 с.]. На сервер SOPAC поступают данные измерений более чем с 1000 навигационных приемников, на фигуре 1 для удобства изображен лишь один (принцип работы остальных приемников аналогичен вышеописанному).

Недостатками данного устройства являются:

- большое количество ручной работы (включая ручной выбор станций на сервере SOPAC) и длительное время обработки данных, вследствие чего невозможно оперативно определить полное электронное содержание ионосферы;

- минимальный шаг измерений, получаемых с сервера, составляющий 30 с., позволяет определить полное электронное содержание с учетом неоднородностей с минимальным периодом 30 секунд. Следовательно, с учетом приведенной выше классификации неоднородностей, можно сделать вывод, что полное электронное содержание ионосферы определяется недостаточно точно, то есть без учета мелкомасштабных неоднородностей с периодом ˜0,1..1 секунд.

Данные недостатки объясняются тем, что вычислительная машина запрашивает с сервера данные измерений, выполненных конкретным навигационным приемником за определенный промежуток времени (выбор приемника и временного промежутка вводятся вручную). Запрашиваемые данные с сервера через канал Internet поступают на вычислительную машину, где данные обрабатываются, и происходит расчет полного электронного содержания. Все перечисленные операции требуют определенных временных затрат,

зависящих от скорости канала Internet, скорости обработки данных вычислительной машиной. Ограничение шага навигационных измерений (30 с.), хранимых в формате RINEX, продиктовано необходимостью передачи огромного объема информации по каналу Internet, поэтому данные навигационных измерений усредняются и хранятся с интервалом Т _у=30 с.(в настоящее время, после многократного сжатия, объем данных (с 30-ти секундным интервалом), хранимых на сервере, составляет порядка 400 Гбайт).

Целью данной полезной модели является разработка устройства позволяющего повысить точность измерения полного электронного содержания ионосферы (с учетом ее мелкомасштабных неоднородностей), а также повысить оперативность данного процесса.

Предлагаемое устройство (фигура 2) реализовано на базе одночастотного навигационного приемника с двухэтапной обработкой сигналов [Сетевые спутниковые радионавигационные системы / B.C.Шебшаевич, П.П.Дмитриев, Н.В.Иванцевич и др.; Под ред. B.C. Шебшаевича.- 2-е изд., перераб. и доп.-М.: Радио и связь, 1993.-408 с.: ил.- ISBN 5-256-00174-4; ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. А.И.Петрова, В.Н.Харисова. Изд. 3-е, перераб. - М.: Радиотехника, 2005, 688 с.], в котором на втором этапе обработки вместо определения координат и параметров движения объекта происходит определение полного электронного содержания ионосферы. Принцип работы устройства заключается в следующем: антенна (1) принимает электромагнитные колебания, излучаемые навигационными спутниками. С выхода антенны (1) напряжение u_вх(t) поступает на вход радиочастотного блока (2), предназначенного для усиления и селекции принятых сигналов, а также понижения несущей частоты. Синтезатор частот (3) формирует набор гармонических колебаний, необходимых для работы радиочастотного блока (2), аналого-цифрового процессора (4) и блока вычисления полного электронного содержания (5). Аналого-цифровой процессор первичной обработки (4) производит поиск и слежение за параметрами сигнала, а также выделяет навигационное сообщение, передаваемое с частотой

20 Гц (периодом 0,05 с.). С выхода аналого-цифрового процессора (4) на вход блока вычисления полного электронного содержания поступают фазовые (t_ф ) и кодовые (t_k) оценки времени распространения сигнала с периодом 0,05 с. В блоке (5) происходит вычисление полного электронного содержания в соответствии с формулой (1) с интервалом 0,05 секунд. Значение полного электронного содержания отображается в устройстве вывода информации (6).

Использование данного устройства позволяет оперативно получать исходные данные, необходимые для определения полного электронного содержания, непосредственно в навигационном приемнике (не нужно запрашивать данные с сервера, ожидать их получения), снизить время обработки данных (нет необходимости обрабатывать весь массив данных, получаемый с сервера с целью получения необходимой информации). Кроме того, за счет отказа от передачи результатов навигационных измерений через канал Internet, нет необходимости усреднять оценки фазового (t_ф) и кодового (t_k ) времени распространения сигнала, а, следовательно, можно определять полное электронное содержание ионосферы с интервалом 0,05 с. Проведение измерений с интервалом 0,05 с.позволит учесть влияние мелкомасштабных неоднородностей на значение полного электронного содержания ионосферы, период которых ˜0,1..1 с.и, следовательно, повысить точность определения полного электронного содержания ионосферы.

Устройство измерения полного электронного содержания ионосферы, включающее в себя приемную антенну, соединенную со входом радиочастотного блока, радиочастотный блок соединен с выходом синтезатора частот и со входом аналого-цифрового процессора, отличающееся тем, что в устройство введен блок вычисления полного электронного содержания, соединенный с выходами аналого-цифрового процессора и синтезатора частот, а также со входом устройства вывода информации, что позволит исключить навигационный процессор, сервер и персональную электронную вычислительную машину.