[go: up one dir, main page]

RU2624634C1 - Method of determining speed of distribution and direction of ionospheric perturbation - Google Patents

Method of determining speed of distribution and direction of ionospheric perturbation Download PDF

Info

Publication number
RU2624634C1
RU2624634C1 RU2016111749A RU2016111749A RU2624634C1 RU 2624634 C1 RU2624634 C1 RU 2624634C1 RU 2016111749 A RU2016111749 A RU 2016111749A RU 2016111749 A RU2016111749 A RU 2016111749A RU 2624634 C1 RU2624634 C1 RU 2624634C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ionospheric
frequency
glonass
arrival
phase
Prior art date
Application number
RU2016111749A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Александрович Корыстин
Иван Алексеевич Готюр
Евгений Александрович Коровин
Алексей Николаевич Мешков
Виктор Иванович Дикарев
Original Assignee
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского" Министерства обороны Российской Федерации
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского" Министерства обороны Российской Федерации, Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации filed Critical Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского" Министерства обороны Российской Федерации
Priority to RU2016111749A priority Critical patent/RU2624634C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2624634C1 publication Critical patent/RU2624634C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/95Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for meteorological use
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/95Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for meteorological use
    • G01S13/958Theoretical aspects
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/41Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section
    • G01S7/418Theoretical aspects
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02ATECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention can be used to control solar, geomagnetic and seismic activity, earthquake precursors, volcanic eruptions, tsunamis, thunderstorm activity, the dynamics of powerful storm cyclones, as well as to detect nuclear and other large explosions and fires, large accidental discharges to Nuclear power stations, launches of comic devices and rockets, radiations of powerful radio transmitting complexes of radar and communication purpose, special impact on the ionosphere with the target to control its parameters. The method is realized by satellite radio navigation systems GLONASS/GPS and an extended grating of two-frequency receivers that provide reception and processing of signals.
EFFECT: increasing the detection sensitivity and accuracy of determining the propagation velocity and direction of arrival of the ionospheric disturbance detected by the two-frequency receivers of the satellite radio navigation system GLONASS by suppressing false signals received via additional channels and eliminating the phenomenon of reverse operation.
5 dwg

Description

Предлагаемый способ относится к области радиофизики и может быть использован для контроля за солнечной, геомагнитной и сейсмической активностью, за предвестниками землетрясения, извержения вулканов, цунами, процессами грозовой активности, динамикой мощных штормовых циклонов, а также для обнаружения ядерных и иных крупных взрывов и пожаров, больших аварийных выбросов на атомных электростанциях, запусков комических аппаратов и ракет, излучений мощных радиопередающих комплексов радиолокационного и связного назначения, средств специального воздействия на ионосферу с целью управления ее параметрами и т.п.The proposed method relates to the field of radiophysics and can be used to monitor solar, geomagnetic and seismic activity, the precursors of earthquakes, volcanic eruptions, tsunamis, thunderstorm processes, the dynamics of powerful storm cyclones, as well as to detect nuclear and other major explosions and fires, large accidental emissions at nuclear power plants, launches of comic devices and rockets, emissions of powerful radio-transmitting complexes of radar and communication purposes, special equipment Nogo influence on the ionosphere to control its parameters etc.

Известны способы определения направления прихода и скорости перемещения ионосферных возмущений естественного и техногенного характера (авт. свид. СССР №1.451.688, 1.709.263; патенты РФ №2.003.136, 2.085.965, 2.189.051 2.189.052, 2.193,495, 2.267.139, 2.379.709, 2.560.094; патенты США №4.761.650, 6.061.013; патенты ЕР №0.622.639; WO №0.045.195; Afraimovich E.L., Kosogorov Ε.Α., Perevalova Ν.Ρ. The use of GPS arrays in defecting shoch-acoustic waves generated during rocket launchings. J. Atmos. Solar-Terr. Phys., V63, 1941-1957, 2001 и другие).Known methods for determining the direction of arrival and speed of movement of ionospheric disturbances of a natural and technogenic nature (ed. Certificate of the USSR No. 1,451.688, 1.709.263; RF patents No. 2.003.136, 2.085.965, 2.189.051 2.189.052, 2.193.495 , 2.267.139, 2.379.709, 2.560.094; U.S. Patent Nos. 4,761,650, 6,061.013; EP Patents Nos. 6,622,639; WO Nos. 1,045,195; Afraimovich EL, Kosogorov Ε.Α., Perevalova Ν.Ν The use of GPS arrays in defecting shoch-acoustic waves generated during rocket launchings. J. Atmos. Solar-Terr. Phys., V63, 1941-1957, 2001 and others).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является «Способ определения скорости распространения и направления прихода ионосферного возмущения» (патент РФ №2.560.094, G01S 13/95, 2013), который и выбран в качестве прототипа.Of the known methods closest to the proposed one is the "Method for determining the propagation velocity and direction of arrival of the ionospheric disturbance" (RF patent No. 2.560.094, G01S 13/95, 2013), which is selected as a prototype.

Известный способ обеспечивает повышение чувствительности обнаружения и точности определения скорости распространения и направления прихода ионосферного возмущения решеткой приемных станций спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS, путем восстановления пространственного распределения полного электронного содержания ионосферы по данным радиопросвечивания атмосферы сигналами ГЛОНАСС/GPS. Для этого способ реализуется спутниковыми радионавигационными системами ГЛОНАСС/GPS и протяженной решеткой двухчастотных приемников, обеспечивающих прием и обработку сигналов.The known method provides an increase in the detection sensitivity and the accuracy of determining the propagation velocity and direction of arrival of the ionospheric disturbance by the grating of the receiving stations of the GLONASS / GPS satellite radio navigation systems, by restoring the spatial distribution of the total electronic content of the ionosphere according to atmospheric radio transillumination by GLONASS / GPS signals. To this end, the method is implemented by GLONASS / GPS satellite radio navigation systems and an extended array of dual-frequency receivers that provide reception and processing of signals.

Каждый двухчастотный приемник содержит последовательно включенные приемный тракт 1, преобразователь 2 частоты, демодулятор 3 ФМн сигналов и блок 4 регистрации и анализа.Each two-frequency receiver contains a serially connected receiving path 1, a frequency converter 2, a QPSK demodulator 3, and a recording and analysis unit 4.

Приемный тракт 1 содержит последовательно включенные приемную антенну 5, входной фидер 6, широкополосный фильтр - преселектор 7, малошумящий усилитель 8 и два полосовых фильтра 9.1 и 9.2.The receiving path 1 contains a receiving antenna 5 connected in series, an input feeder 6, a broadband filter — a preselector 7, a low-noise amplifier 8, and two bandpass filters 9.1 and 9.2.

Преобразователь 2 частоты содержит последовательно подключенные к выходу полосового фильтра 9.1 (9.2) смеситель 11.1 (11.2), второй вход которого соединен с выходом гетеродина 10.1 (10.2), и усилитель 12.1 (12.2) промежуточной частоты.The frequency converter 2 contains a mixer 11.1 (11.2) connected in series to the output of the bandpass filter 9.1 (9.2), the second input of which is connected to the output of the local oscillator 10.1 (10.2), and an intermediate frequency amplifier 12.1 (12.2).

Демодулятор ФМн содержит последовательно подключенные к выходу усилителя 12.1 (12.2) промежуточный частоты удвоитель 13.1 (13.2) фазы, делитель 14.1 (14.2) фазы на два, узкополосный фильтр 15.1 (15.2) и фазовый детектор 16.1 (16.2), второй вход которого соединен с выходом усилителя 12.1 (12.2) промежуточной частоты, а выход подключен к блоку 4 регистрации и анализа.The FMN demodulator contains in series with the output of the amplifier 12.1 (12.2) an intermediate frequency doubler 13.1 (13.2) phases, a divider 14.1 (14.2) phases in two, a narrow-band filter 15.1 (15.2) and a phase detector 16.1 (16.2), the second input of which is connected to the output amplifier 12.1 (12.2) of intermediate frequency, and the output is connected to block 4 registration and analysis.

Преобразователь 2 частоты построен по супергетеродинной схеме, в которой одно и то же значение промежуточной частоты ωпр1пр2) образуется при приеме сигналов на частотах ω1, ωз1, ω2 и ωз2, т.е.Frequency converter 2 is constructed according to a superheterodyne circuit in which the same value of the intermediate frequency ω CR1CR2 ) is formed when signals are received at frequencies ω 1 , ω Z1 , ω 2 and ω Z2 , i.e.

ωпр11г1, ωпр1г1з1, pr1 ω = ω 1r1, pr1 ω = ω -ω r1 P1,

ωпр22г2, ωпр2г2з2. np2 ω = ω 2z2, ω np2 = ω z2s2.

Следовательно, если частоты настройки ω1 и ω2 принять за основные каналы приема, то наряду с ними будут присутствовать и зеркальные каналы приема, частоты ωз1 и ωз2 которых отличаются от частот ω1 и ω2 на 2ωпр1, 2ωпр2 и расположены симметрично (зеркально) относительно частот ωг1, ωг2 гетеродинов (фиг. 4). Преобразование по зеркальным каналам приема происходит с тем же коэффициентом преобразования kпр, что и по основным каналам приема. Поэтому они наиболее существенно влияют на избирательность и помехоустойчивость приемников.Therefore, if the tuning frequencies ω 1 and ω 2 are taken as the main reception channels, then along with them there will also be mirror receiving channels, the frequencies ω З1 and ω З2 of which differ from the frequencies ω 1 and ω 2 by 2ω pr1 , 2ω pr2 and are located symmetrically (mirror) with respect to frequencies ω g1 , ω g2 local oscillators (Fig. 4). The conversion of the mirror channels of reception occurs with the same conversion coefficient k PR as the main channels of reception. Therefore, they most significantly affect the selectivity and noise immunity of receivers.

Кроме зеркальных существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема. В общем виде любые комбинационные каналы приема имеют место при выполнении следующих условий:In addition to mirrored, there are other additional (combination) reception channels. In general terms, any combination receive channels occur when the following conditions are met:

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

где ωкi, ωкj - частоты i-го и j-го комбинационных каналов приема; m, n, i, j - целые положительные числа.where ω ki , ω kj are the frequencies of the i-th and j-th Raman reception channels; m, n, i, j are positive integers.

Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии первой гармоники частоты сигналов с гармоникой частот гетеродинов малого порядка (второй, третьей, и т.д.), так как чувствительность приемников по этим каналам близка к чувствительности приемников по основным каналам. Так, четырем комбинационным каналам приема при m=1 и n=2 соответствуют частоты:The most harmful combinational receiving channels are those generated by the interaction of the first harmonic of the signal frequency with the harmonic of the frequencies of small local oscillators (second, third, etc.), since the sensitivity of the receivers on these channels is close to the sensitivity of the receivers on the main channels. So, four combinational reception channels with m = 1 and n = 2 correspond to frequencies:

ωк1=2ωг1пр1, ωк2=2ωг1пр1,ω k1 = 2ω g1 -ω pr1 , ω k2 = 2ω g1 + ω pr1 ,

ωк2=2ωг2пр2, ωк4=2ωг2пр2, k2 = 2ω ω z2np2, ω z2 k4 = 2ω + ω np2,

где 2ωг1, 2ωг2 - вторые гармоники частот первого и второго гетеродинов.where 2ω g1 , 2ω g2 are the second harmonics of the frequencies of the first and second local oscillators.

Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальным и комбинационным каналам, приводит к снижению избирательности и помехоустойчивости приемников, к снижению чувствительности обнаружения и точности определения скорости распространения и направления прихода ионосферного возмущения, регистрируемого приемниками.The presence of false signals (interference) received via mirror and Raman channels leads to a decrease in the selectivity and noise immunity of the receivers, to a decrease in the detection sensitivity and the accuracy of determining the propagation velocity and direction of arrival of the ionospheric disturbance recorded by the receivers.

Демодулятор 3 ФМн сигналов построен по схеме Пистолькорса Α. Α., в которой опорное напряжение, необходимое для работы фазового детектора 16.1 (16.2), выделяется непосредственно из принимаемого ФМн сигнала с помощью тракта формирования опорного напряжения, состоящего из последовательно включенных удвоителя 13.1 (13.2) фазы, делителя 14.1 (14.2) фазы на два и узкополосного фильтра 16.1 (16.2).The demodulator of 3 QPSK signals is constructed according to the Pistolkors Α scheme. Α., In which the reference voltage necessary for the operation of the phase detector 16.1 (16.2) is extracted directly from the received PSK signal using the reference voltage generating path, consisting of a phase doubler 13.1 (13.2) sequentially connected, a phase divider 14.1 (14.2) into two and a narrow-band filter 16.1 (16.2).

Однако данному демодулятору присуще явление «обратной работы», которое также приводит к снижению чувствительности обнаружения и точности определения скорости распространения и направления прихода ионосферного возмущения, регистрируемого приемниками.However, the phenomenon of “reverse operation” is inherent in this demodulator, which also leads to a decrease in the detection sensitivity and the accuracy of determining the propagation velocity and direction of arrival of the ionospheric disturbance recorded by the receivers.

Технической задачей изобретения является повышение чувствительности обнаружения и точности определения скорости распространения и направления прихода ионосферного возмущения, регистрируемого двухчастотными приемниками спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС/GPS, путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, и устранения явления «обратной работы».An object of the invention is to increase the detection sensitivity and accuracy of determining the propagation velocity and direction of arrival of the ionospheric disturbance recorded by the two-frequency receivers of the GLONASS / GPS satellite radio navigation system by suppressing spurious signals (interference) received via additional channels and eliminating the “reverse operation” phenomenon.

Поставленная задача решается тем, что способ определения скорости распространения и направления прихода ионосферного возмущения, основанный в соответствии с ближайшим аналогом на анализе данных о полном электронном содержании в ионосфере Земли, которые получают в результате обработки сигналов, принятых двухчастотными приемниками спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС/GPS, с последующим формированием временных рядов полного электронного содержания и их фильтрацией в диапазоне периодов колебаний, соответствующих отклику ионосферы на воздействие источника ионосферного возбуждения, при этом используют протяженную приемную решетку и последовательно проверяют гипотезу о значениях направления прихода и скорости распространения плоского фронта ионосферного возмущения путем формирования диаграммы направленности приемной решетки и ее сканирования в заданном секторе обзора пространства «направление прихода - скорость распространения ионосферного возмущения» за счет синтеза выходного сигнала приемной решетки при синфазном суммировании рядов вариаций полного электронного содержания отдельных элементов решетки с временными сдвигами, рассчитанными исходя из проверяемых значений направления прихода и скорости распространения ионосферного возмущения и расстояний, пройденных фронтом ионосферного возмущения между элементами приемной решетки в проверяемом направлении внутри сферического слоя ионосферы Земли, решение о правильности проверяемой гипотезы и обнаружении ионосферного возмущения принимается при превышении суммарным сигналом заданного порогового уровня, соответствующие значения направленности прихода и фазовой скорости распространения ионосферного возмущения считаются оценочными значениями, при этом для определения полного электронного содержания ионосферы осуществляют кодовые измерения псевдодальности и фазовые измерения совместно, учитывают групповые поправки, связанные с многолучевостью распространения сигнала и с вертикальными ионосферными и тропосферными задержками и используют дифференциальный режим спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS, отличается от ближайшего аналога тем, что принимают сигналы ГЛОНАСС/GPS на несущих частотах ω1 и ω2, преобразуют их по частоте с использованием частот ωг1 и ωг2 первого второго гетеродинов, которые выбирают равными несущим частотам ωг11 и ωг22, выделяют низкочастотные напряжения, пропорциональные модулирующим кодам M1(t) и M2(t) соответственно, регистрируют и анализируют их, а также перемножают с напряжениями первого и второго гетеродинов, предварительно сдвинутыми по фазе на 90°, формируют управляющие напряжения, воздействуют ими на управляющие входы 2 гетеродинов и поддерживают равенства ωг11 и ωг22.The problem is solved in that the method of determining the propagation velocity and direction of arrival of the ionospheric disturbance, based in accordance with the closest analogue, on the analysis of data on the total electronic content in the Earth’s ionosphere, which are obtained as a result of processing signals received by two-frequency receivers of the GLONASS / GPS satellite navigation system, with the subsequent formation of time series of the full electronic content and their filtration in the range of oscillation periods corresponding to the ion response the spheres on the influence of the ionospheric excitation source, while using an extended receiving grating and sequentially testing the hypothesis about the values of the direction of arrival and the propagation velocity of the plane front of the ionospheric disturbance by forming the radiation pattern of the receiving grating and scanning it in a given sector of the space review "direction of arrival - velocity of propagation of the ionospheric disturbance »Due to the synthesis of the output signal of the receiving grating during the in-phase summation of the series of variations the electronic content of individual elements of the lattice with time shifts calculated on the basis of the verified values of the arrival direction and propagation velocity of the ionospheric disturbance and the distances traveled by the front of the ionospheric disturbance between the elements of the receiving lattice in the checked direction inside the spherical layer of the Earth’s ionosphere, the decision on the correctness of the hypothesis being tested and the detection of the ionospheric disturbances are accepted when the total signal exceeds a predetermined threshold level, the corresponding values The directions of the arrival direction and the phase velocity of propagation of the ionospheric disturbance are considered as estimated values, while to determine the total electronic content of the ionosphere, code measurements of pseudorange and phase measurements are taken together, group corrections associated with the multipath propagation of the signal and with vertical ionospheric and tropospheric delays are taken into account and the differential mode is used GLONASS / GPS satellite radio navigation systems, differs from the closest analogue in that о receive GLONASS / GPS signals at the carrier frequencies ω 1 and ω 2 , convert them in frequency using the frequencies ω g1 and ω g2 of the first second local oscillators, which are chosen equal to the carrier frequencies ω g1 = ω 1 and ω g2 = ω 2 , select low-frequency voltages proportional to the modulating codes M 1 (t) and M 2 (t), respectively, register and analyze them, and also multiply them with the voltages of the first and second local oscillators, previously phase shifted by 90 °, form control voltages, act on them at the control inputs 2 local oscillators and support vayut equality r1 ω = ω 1 and ω 2 = ω z2.

Геометрия определения координат удаленного точечного источника ионосферного возмущения представлена на фиг. 1. Схема радиопросвечивания атмосферы показана на фиг. 2. Структурная схема классического двухчастотного приемника сигналов ГЛОНАСС/GPS представлена на фиг. 3. Частотные диаграммы, иллюстрирующие образование дополнительных каналов приема, изображены на фиг. 4. Структурная схема предлагаемого двухчастотного приемника сигналов ГЛОНАСС/GPS представлена на фиг. 5.The geometry of determining the coordinates of a remote point source of ionospheric disturbance is shown in FIG. 1. An atmospheric radiolocation pattern is shown in FIG. 2. A block diagram of a classical two-frequency GLONASS / GPS signal receiver is shown in FIG. 3. Frequency diagrams illustrating the formation of additional receive channels are shown in FIG. 4. The block diagram of the proposed dual-frequency receiver of GLONASS / GPS signals is presented in FIG. 5.

Для реализации предлагаемого способа используется спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС/GPS, которая состоит из трех частей: космической, наземной и пользовательского оборудования.To implement the proposed method, a GLONASS / GPS satellite radio navigation system is used, which consists of three parts: space, ground and user equipment.

Космическая часть - это 24 спутника, вращающихся по 6 орбитам. Наклон орбит к земному экватору - 55 град., угол между плоскостями орбит - 60 град. Высота орбит 20180 км, период обращения 12 ч. Мощность спутникового передатчика 50 Вт. Спутники GPS способны, передвигаясь, заполнять бреши в системе, если один из них вышел из строя. Важным элементом спутника являются атомные часы, рубидиевые и цезиевые, по четыре на каждом. Спутники идентифицируются номером PRN (Pseudo Random Number), который отображается на приемнике GPS.The space part consists of 24 satellites orbiting in 6 orbits. The inclination of the orbits to the earth's equator is 55 degrees, the angle between the planes of the orbits is 60 degrees. The altitude of the orbits is 20180 km, the period of revolution is 12 hours. The power of the satellite transmitter is 50 W. GPS satellites are capable of moving, filling in gaps in the system if one of them is out of order. An important element of the satellite is the atomic clock, rubidium and cesium, four on each. Satellites are identified by a PRN (Pseudo Random Number), which is displayed on the GPS receiver.

За спутниками тщательно следят с помощью наземного сегмента управления - станции управления и слежения. В задачи последнего входит техническое обслуживание орбитальной системы, определение системного времени, предвычисление элементов орбит спутника (эфемерид), моделирование поведения часов спутника, передача навигационных данных спутника и их загрузка в память спутников.Satellites are carefully monitored using the ground-based control segment - the control and tracking station. The latter's tasks include maintenance of the orbital system, determination of system time, pre-calculation of satellite orbit elements (ephemeris), modeling of the satellite’s clock behavior, transmission of satellite navigation data and its loading into the satellite’s memory.

В качестве пользовательского оборудования используются двухчастотные приемники спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС/GPS.As user equipment, two-frequency receivers of the GLONASS / GPS satellite radio navigation system are used.

Все частоты в системе кратны основной частоте часов спутника, 10.23 МГц. Спутник передает на двух частотах

Figure 00000003
и
Figure 00000004
специальный навигационный сигнал в виде бинарного фазоманипулированного сигнала. В сигнале зашифровываются два вида кода. Один из них код С/А - доступен широкому кругу потребителей. Он позволяет получать лишь приблизительную оценку местоположения, поэтому называется "грубым" кодом. Передача кода С/А осуществляется на частоте
Figure 00000005
и использованием фазовой манипуляции псевдослучайной последовательностью длиной 1023 символа. Защита от ошибок обеспечивается с помощью кода Гоулда. Период повторения С/А - кода - 1 мс, тактовая частота 1.023 МГц.All frequencies in the system are multiples of the fundamental frequency of the satellite clock, 10.23 MHz. Satellite transmits at two frequencies
Figure 00000003
and
Figure 00000004
special navigation signal in the form of a binary phase-shifted signal. Two types of code are encrypted in the signal. One of them is C / A code - available to a wide range of consumers. It allows you to get only a rough estimate of the location, so it is called a "rough" code. C / A code is transmitted at a frequency
Figure 00000005
and using phase manipulation with a pseudo-random sequence of 1023 characters in length. Error protection is provided using the Gould code. The repetition period of the C / A code is 1 ms, the clock frequency is 1.023 MHz.

Другой код - Ρ обеспечивает более точное вычисление координат, но пользоваться им способны не все, доступ к нему ограничивается провайдером услуг GPS. Этот код передается на частоте

Figure 00000006
с применением сверхдлинной псевдослучайной последовательности с периодом повторения 267 дней. Тактовая частота -10.23 МГц.Another code - Ρ provides a more accurate calculation of coordinates, but not everyone is able to use it, access to it is limited by the GPS service provider. This code is transmitted on frequency
Figure 00000006
using an extra-long pseudo-random sequence with a repetition period of 267 days. Clock frequency -10.23 MHz.

Радиопросвечивание атмосферы с помощью сигналов спутниковых радионавигационных систем и семи наземных станций является легкодоступным и не требующим больших затрат способом мониторинга ее параметров в реальном времени.Radio transillumination of the atmosphere using the signals of satellite radio navigation systems and seven ground stations is an easily accessible and low-cost way to monitor its parameters in real time.

Просвечивание атмосферы двухчастотными радиосигналами ГЛОНАСС/GPS основано на существовании явления дисперсии радиоволн микроволнового диапазона в атмосфере Земли.Transmission of the atmosphere with two-frequency GLONASS / GPS radio signals is based on the existence of the microwave dispersion phenomenon in the Earth’s atmosphere.

Полное микрофизическое содержание вдоль луча визирования от фазового центра антенны приемника на антенну передатчика пропорционально разности набегов фазы на двух частотах. Учитывая, что фазовая скорость равна по знаку и противоположна по величине групповой скорости, микрофизическое содержание пропорционально разности псевдодальности, определяемой из навигационных сигналов на двух частотах. Однако для фазовых измерений микрофизическое содержание может быть определено лишь с точностью до постоянной (в пределах одного сеанса) константы. Стоит отметить также, что измерения сдвига фазы на несколько порядков точнее кодовых измерений псевдодальности, поэтому для определения абсолютного микрофизического содержания целесообразно использовать кодовые и фазовые измерения совместно.The total microphysical content along the line of sight from the phase center of the receiver antenna to the transmitter antenna is proportional to the difference in phase incursions at two frequencies. Considering that the phase velocity is equal in sign and opposite in magnitude to the group velocity, the microphysical content is proportional to the pseudorange difference determined from the navigation signals at two frequencies. However, for phase measurements, the microphysical content can only be determined accurate to a constant (within one session) constant. It is also worth noting that phase shift measurements are several orders of magnitude more accurate than pseudorange code measurements; therefore, it is advisable to use code and phase measurements together to determine the absolute microphysical content.

Многолучевость появляется в результате вторичных отражений сигнала спутника от крупных препятствий, расположенных в непосредственной близости от приемника. При этом возникает явление интерференции и измерить расстояние достаточно трудно, а наилучшим способом борьбы с нею считается рациональное размещение приемника относительно препятствий. В результате воздействия этого фактора ошибки определения псевдодальности могут увеличиться на 2 м.Multipath occurs as a result of secondary reflections of a satellite signal from large obstacles located in the immediate vicinity of the receiver. In this case, the phenomenon of interference arises and it is quite difficult to measure the distance, and the best way to deal with it is the rational placement of the receiver relative to obstacles. As a result of this factor, the errors in determining the pseudorange can increase by 2 m.

Ионосфера - это ионизированный атмосферный слой в диапазоне высот 50-500 км, который содержит свободные электроны. Наличие этих электронов вызывает задержку распространения сигнала спутника, которая прямо пропорциональна концентрации электронов и обратно пропорциональна квадрату частоты радиосигнала.The ionosphere is an ionized atmospheric layer in the altitude range of 50-500 km, which contains free electrons. The presence of these electrons causes a delay in the propagation of the satellite signal, which is directly proportional to the electron concentration and inversely proportional to the square of the frequency of the radio signal.

Для вычисления ионосферной поправки используется измерение псевдодальности на Р-коде на двух частотах:To calculate the ionospheric correction, the measurement of pseudorange on the P-code at two frequencies is used:

Figure 00000007
Figure 00000007

где

Figure 00000008
Where
Figure 00000008

где

Figure 00000009
и
Figure 00000006
- частоты сигналов GPS.Where
Figure 00000009
and
Figure 00000006
- GPS signal frequencies.

Dp1, Dp2 - измерение псевдодальности на Р-коде на частотах

Figure 00000005
и
Figure 00000006
соответственно.D p1 , D p2 - measurement of pseudorange on the P-code at frequencies
Figure 00000005
and
Figure 00000006
respectively.

Ионосферная поправка псевдодальности устраняет систематическую ошибку порядка 5 метров в определении вектора положения покоящегося наблюдателя.The ionospheric correction of the pseudorange eliminates a systematic error of the order of 5 meters in determining the position vector of the observer at rest.

Тропосфера - самый нижний слой атмосферы (до высоты 8-13 км). Она также обусловливает задержку распространения радиосигнала от спутника. Задержка сигнала в тропосфере также вызвана эффектами рефракции. В отличие от ионосферной задержки тропосферная задержка не зависит от частоты сигнала, она зависит от метеопараметров (давления, температуры, влажности), а также от высоты спутника над горизонтом. Для вычисления тропосферной поправки измерения псевдодальности используют измерения температуры, давления воздуха и парциального давления водяного пара. Эти измерения доступны в сети Internet для каждой базовой GPS станции.The troposphere is the lowest layer of the atmosphere (up to an altitude of 8-13 km). It also causes a delay in the propagation of the radio signal from the satellite. Signal delay in the troposphere is also caused by refraction effects. Unlike the ionospheric delay, the tropospheric delay does not depend on the signal frequency, it depends on meteorological parameters (pressure, temperature, humidity), as well as on the satellite height above the horizon. To calculate the tropospheric correction, measurements of pseudorange use measurements of temperature, air pressure, and partial pressure of water vapor. These measurements are available on the Internet for each base GPS station.

Соотношение для вычисления тропосферной поправки псевдодальности наземного наблюдателя имеет вид:The ratio for calculating the tropospheric correction of the pseudorange of the ground observer has the form:

Figure 00000010
Figure 00000010

где Т - температура в К;where T is the temperature in K;

Р - давление воздуха [мб];P is the air pressure [mb];

В - парциальное давлении водяного пара [мб];In - partial pressure of water vapor [mb];

Θ - зенитный угол направления на НКА.Θ - zenith angle of direction to the NCA.

Тропосферные задержки вызывают ошибки измерения псевдодальности в 1 м.Tropospheric delays cause 1 m pseudorange measurement errors.

Наиболее эффективным средством исключения ошибок является дифференциальный способ наблюдений. Его суть состоит в выполнении измерений двумя приемниками: один устанавливается в определяемой точке, а другой в точке с известными координатами - базовой (контрольной) станции. В дифференциальном режиме измеряют не абсолютные координаты первого приемника, а его положение относительно базового (вектор базы). Использование дифференциального режима позволяет довести точность кодовых измерений до десятков сантиметров, а фазовых - до единиц миллиметров.The most effective means of eliminating errors is the differential method of observation. Its essence consists in performing measurements by two receivers: one is installed at a defined point, and the other at a point with known coordinates - the base (control) station. In differential mode, it is not the absolute coordinates of the first receiver that are measured, but its position relative to the base (base vector). Using the differential mode allows you to bring the accuracy of code measurements to tens of centimeters, and phase - to units of millimeters.

Определение значения полного электронного содержания (ПЭС) ионосферы осуществляется по двухчастотным измерениям дальности между навигационным спутником и наземным приемникомThe determination of the value of the total electronic content (TEC) of the ionosphere is carried out by two-frequency measurements of the distance between the navigation satellite and the ground receiver

Figure 00000011
Figure 00000011

где

Figure 00000012
Figure 00000013
λ1, λ2 - частоты и длины волн навигационных сигналов:Where
Figure 00000012
Figure 00000013
λ 1 , λ 2 - frequency and wavelength of navigation signals:

L1, λ1, L2, λ2 - фазовый путь трансионосферных радиосигналов (L1, L2 - число полных оборотов фазы);L 1 , λ 1 , L 2 , λ 2 is the phase path of the transionospheric radio signals (L 1 , L 2 is the number of full rotations of the phase);

Θ - зенитный угол луча "приемник - навигационный спутник".Θ - zenith angle of the beam "receiver - navigation satellite".

Совокупность лучей "приемник - навигационный спутник" в заданном регионе образует приемную решетку, каждый i-й элемент которой в момент времени t характеризуется изменением значения ПЭС Yi(t) и положением соответствующей ионосферной точки Xi(t) Yi(t) и Zi(t). Временные ряды ПЭС отражают как регулярные изменения ПЭС в точке регистрации, так и вариации ПЭС, вызванные ионосферными возмущениями различного характера.The set of receiver-navigation satellite beams in a given region forms a receiving array, each i-th element of which at time t is characterized by a change in the TEC value Y i (t) and the position of the corresponding ionospheric point X i (t) Y i (t) and Z i (t). The time series of TECs reflect both regular changes in TECs at the registration point and variations in TECs caused by ionospheric disturbances of a different nature.

Для выделения характерных ионосферных возмущений ряды ПЭС подвергаются процедуре специальной фильтрации в диапазоне периодов, соответствующих масштабу возмущения.To distinguish characteristic ionospheric disturbances, the TEC series undergo a special filtering procedure in the range of periods corresponding to the scale of the disturbance.

Обнаружение и определение пространственно-временных параметров ионосферного возмущения осуществляется путем последовательной проверки гипотез о значениях направления прихода и скорости распространения ионосферного возмущения.The detection and determination of the spatio-temporal parameters of the ionospheric disturbance is carried out by sequentially testing hypotheses about the values of the direction of arrival and propagation velocity of the ionospheric disturbance.

Для каждой пары проверяемых значений (α, v) формируется диаграмма направленности приемной решетки и соответствующим образом ориентируется в фазовом пространстве [α, v] за счет синфазного суммирования отдельных рядов ΔYi(t) приемной решетки к некоторому нейтральному ряду ΔY0 (t), выбранному в качестве опорного, с временными сдвигами τ и формирования выходного сигнала приемной решетки:For each pair of checked values (α, v), the radiation pattern of the receiver array is formed and is accordingly oriented in the phase space [α, v] due to the in-phase summation of the individual rows ΔY i (t) of the receiver array to a certain neutral row ΔY 0 (t), selected as a reference, with time shifts τ and the formation of the output signal of the receiving array:

Figure 00000014
Figure 00000014

где р - количество элементов приемной решетки.where p is the number of elements of the receiving grid.

Временной сдвиг τi определяется как разность времени tj j-ого отсчета i-ого суммарного ряда ПЭС и времени t0 регистрации ионосферного возмущения центральным элементом приемной решетки τi=tj-t0 и выбирается исходя из минимизации выражения, описывающего динамику распространения возмущения:The time shift τ i is defined as the difference between the time t j of the j-th count of the i-th total number of TEC and the time t 0 of recording the ionospheric disturbance by the central element of the receiving array τ i = t j -t 0 and is selected based on minimizing the expression describing the dynamics of propagation of the disturbance :

Figure 00000015
Figure 00000015

где Δpi - расстояние, пройденное фронтом волны между i-м и центральным элементом приемной решетки.where Δp i is the distance traveled by the wave front between the ith and the central element of the receiving array.

Для протяженных приемных решеток расстояние рассчитывается с учетом кривизны Земли. С этой целью в заданном направлении α прихода волны ионосферного возмущения на высоте hmax задается удаленный точечный источник (обозначен точкой Е на фиг. 1), который будет являться полюсом ортодромической системы координат, экватор которой (сильная жирная линия на фиг. 1) проходит через центральный элемент приемной решетки (точка А на фиг. 1). Тогда фронт волны, распространяющийся от удаленного точечного источника и приходящий через i-й элемент приемной решетки (точка В на фиг. 1), будет представлять собой широтный круг (жирная прерывистая линия), параллельный экватору полученной ортодромической системы. Такая модель соответствует плоской волне ионосферного возмущения, распространяющейся на сфере Земли.For extended receiving gratings, the distance is calculated taking into account the curvature of the Earth. To this end, in a given direction α of the arrival of the ionospheric disturbance wave at a height h max, a remote point source (indicated by point E in Fig. 1) is set, which will be the pole of the orthodromic coordinate system whose equator (strong bold line in Fig. 1) passes through the central element of the receiving grate (point A in Fig. 1). Then the wave front propagating from a remote point source and arriving through the ith element of the receiving array (point B in Fig. 1) will be a latitudinal circle (a thick broken line) parallel to the equator of the resulting orthodromic system. Such a model corresponds to a plane wave of ionospheric disturbance propagating over the Earth's sphere.

Геоцентрические координаты (Хе, Ye, Ze) удаленного источника ионосферного возмущения определяются с использованием правил сферической тригонометрии. При этом рассматриваются сферический треугольник, вершиной А которого является центральный элемент приемной решетки с известными координатами (Х0, Y0, Z0). Вершиной С этого треугольника является северный полюс геоцентрической системы координат (0, 0, R+hmax), где R - радиус Земли. Необходимо определить координаты третьей вершины Е, которая и будет являться удаленным источником. Чтобы удаленный источник Е являлся полюсом ортодромической системы координат, угловой размер стороны АЕ сферического треугольника задается равным π/2. В полученном сферическом треугольнике известны две стороны АС и АЕ, а также угол между ними <LCAE=α, что является типовой задачей решения сферического треугольника. С использованием теоремы косинусов сторон сферического треугольника определяется третья сторона и координаты (Хе, Ye, Ze) удаленного источника Е.The geocentric coordinates (X e , Y e , Z e ) of a remote source of ionospheric disturbance are determined using the rules of spherical trigonometry. In this case, we consider a spherical triangle, the vertex A of which is the central element of the receiving grating with known coordinates (X 0 , Y 0 , Z 0 ). The vertex C of this triangle is the north pole of the geocentric coordinate system (0, 0, R + h max ), where R is the radius of the Earth. It is necessary to determine the coordinates of the third vertex E, which will be the remote source. So that the remote source E is the pole of the orthodromic coordinate system, the angular size of the side AE of the spherical triangle is set to π / 2. In the obtained spherical triangle, two sides AC and AE are known, as well as the angle between them <LCAE = α, which is a typical problem for solving a spherical triangle. Using the cosine theorem of the sides of a spherical triangle, the third side and the coordinates (X e , Y e , Z e ) of the remote source E.

Расстояние, пройденное фронтом волны между i-м и центральным элементом приемной решетки, определяется как разность расстояний АЕ и BE (фиг. 1) и записывается в виде:The distance traveled by the wave front between the ith and the central element of the receiving array is determined as the difference between the distances AE and BE (Fig. 1) and is written in the form:

Figure 00000016
Figure 00000016

где (Xi, Yi, Zi) - координаты i-ого элемента приемной решетки в момент времени tj.where (X i , Y i , Z i ) are the coordinates of the i-th element of the receiver array at time t j .

Решение о правильности проверяемой гипотезы принимается при превышении суммарным сигналом заданного порогового уровня. При этом считается, что обнаружено ионосферное возмущение, а соответствующие значения α и V, для которых суммарный сигнал приемной решетки превысил пороговое значение, считаются оценками направления прихода и фазовой скорости распространения обнаруженного ионосферного возмущения.The decision on the correctness of the tested hypothesis is made when the total signal exceeds a predetermined threshold level. In this case, it is believed that an ionospheric disturbance is detected, and the corresponding values of α and V, for which the total signal of the receiving grating exceeded the threshold value, are considered as estimates of the direction of arrival and the phase propagation velocity of the detected ionospheric disturbance.

Каждый предлагаемый двухчастотный приемник работает следующим образом.Each proposed dual-frequency receiver operates as follows.

На вход приемной антенны 5 поступают одновременно сигналы космических аппаратов двух спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС и GPS:The input of the receiving antenna 5 simultaneously receives signals from the spacecraft of two satellite radio navigation systems GLONASS and GPS:

Figure 00000017
Figure 00000017

Figure 00000018
Figure 00000018

где U1, U2, ω1, ω2, ϕ1, ϕ2, T1, Т2 - амплитуды, несущие частоты и длительности сигналов ГЛОНАСС /GPS:where U 1 , U 2 , ω 1 , ω 2 , ϕ 1 , ϕ 2 , T 1 , T 2 are the amplitudes, carrier frequencies and durations of GLONASS / GPS signals:

Figure 00000019
- доплеровские смещения частоты:
Figure 00000019
- Doppler frequency shifts:

Figure 00000020
- манипулируемые составляющие фазы, отображающие законы фазовой манипуляции в соответствии с модулирующими кодами M1(t) и M2(t) соответственно, причем ϕк1(t)=const и ϕк2(t)=const при kτэ<t<(k+1)τэ и могут изменяться скачком при t=kτэ, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1,2,…, N-1);
Figure 00000020
- manipulated phase components that display the laws of phase manipulation in accordance with the modulating codes M 1 (t) and M 2 (t), respectively, with ϕ k1 (t) = const and ϕ k2 (t) = const for kτ e <t <( k + 1) τ e and can change stepwise at t = kτ e , i.e. at the borders between elementary premises (k = 1,2, ..., N-1);

τэ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т11=N1⋅τэ) и Т22=N2⋅τэ).τ e , N is the duration and number of chips that make up a signal of duration T 1 (T 1 = N 1 ⋅ τ e ) and T 2 (T 2 = N 2 ⋅ τ e ).

Амплитудно-частотная характеристика приемного тракта 1 определяется спектром частот принимаемых сигналов. Спектр сигналов навигационных космических аппаратов (НКА) системы GPS при работе по коду общего применения С/А составляет (1574, 42-1594,24) МГц, спектр сигналов НКА системы ГЛОНАСС при работе по коду С/А составляет (1602-1620) МГц.The frequency response of the receiving path 1 is determined by the frequency spectrum of the received signals. The spectrum of signals of the navigation spacecraft (NSC) of the GPS system when working with the C / A code is (1574, 42-1594.24) MHz, the spectrum of the signals of the GLONASS system with the C / A code is (1602-1620) MHz .

Это означает, что общая полоса частот принимаемых сигналов равна 1574,24≤Δω≤1620 МГц, то есть занимаемая полоса частот составляет 50 МГц.This means that the total frequency band of the received signals is equal to 1574.24≤Δω≤1620 MHz, that is, the occupied frequency band is 50 MHz.

Принимаемые ФМн сигналы с антенны 5 поступают во входной фидер 6, который представляет собой четвертьволновой замкнутый на одной стороне отрезок коаксиальной линии и служит для согласования параметров антенны и входных цепей приемника. С выхода фидера 5 ФМн сигналы поступают на вход широкополосного фильтра-преселектора 7, который служит для ограничения полосы частот принимаемых сигналов в диапазоне 1574,42-1621 МГц. Указанный фильтр, выполненный на микроволновых линиях, реализует эллиптический полосовой фильтр Кауэра 5-го порядка. Широкополосный фильтр-преселектор 7 обладает важным достоинством, а именно практически линейной фазовой характеристикой в полосе пропускания фильтра, что является большим преимуществом при работе со сложными фазоманипулированными сигналами, передаваемыми со спутников. Это приводит, например, к тому, что фильтр-преселектор 7 имеет одинаковое линейное время группового запаздывания τ в полосе пропускания, равное примерно 2,5 нc. Такая реализация приводит к тому, что нет необходимости использовать калибратор для обеспечения одинакового времени группового запаздывания τ для всех сигналов, принимаемых от НКА.Received PSK signals from antenna 5 enter the input feeder 6, which is a quarter-wave segment of a coaxial line closed on one side and serves to coordinate the parameters of the antenna and the input circuits of the receiver. From the output of the feeder 5 QPSK signals are fed to the input of a broadband filter preselector 7, which serves to limit the frequency band of the received signals in the range of 1574.42-1621 MHz. The specified filter, made on microwave lines, implements a 5th order elliptical Cower bandpass filter. The broadband filter preselector 7 has an important advantage, namely, an almost linear phase response in the passband of the filter, which is a great advantage when working with complex phase-shift keyed signals transmitted from satellites. This leads, for example, to the fact that the filter preselector 7 has the same linear group delay time τ in the passband equal to about 2.5 ns. Such an implementation leads to the fact that there is no need to use a calibrator to ensure the same group delay time τ for all signals received from the satellite.

С выхода фильтра-преселектора сигналы поступают на вход малошумящего усилителя 8, который обеспечивает основное усиление приемного тракта 1 и выполнен на основе арсенид-галлиевых транзисторов с барьером Шоттки.From the output of the filter preselector, the signals are fed to the input of a low-noise amplifier 8, which provides the main gain of the receiving path 1 and is based on gallium arsenide transistors with a Schottky barrier.

Полосовыми фильтрами 9.1 и 9.2 выделяются ФМн сигналы u1(t) и u2(t), которые поступают на первые входы смесителей 11.1 и 11.2, на вторые входы которых подаются напряжения гетеродинов 10.1 и 10.2 соответственно.Bandpass filters 9.1 and 9.2 distinguish the PSK signals u 1 (t) and u 2 (t), which are fed to the first inputs of the mixers 11.1 and 11.2, the second inputs of which are supplied with the local oscillator voltages 10.1 and 10.2, respectively.

uг1(t)-Uг1⋅cos (ωг1t+ϕг1)u g1 (t) -U g1 ⋅cos (ω g1 t + ϕ g1 )

uг2(t)=Uг2⋅cos (ωг2t+ϕг2)u z2 (t) = U r2 ⋅cos (ω t + φ r2 r2)

На выходе смесителей 11.1 и 11.2 образуются напряжения комбинационных частот. Так как частоты ωг1 и ωг2 гетеродинов 10.1 и 10.2 выбираются равными частотам принимаемых сигналов (ωг11 и ωг22), то фильтрами 12.1 и 12.2 нижних частот выделяются низкочастотные напряжения (напряжения нулевой частоты):At the output of the mixers 11.1 and 11.2, voltages of combination frequencies are generated. Since the frequencies ω g1 and ω g2 of the local oscillators 10.1 and 10.2 are chosen equal to the frequencies of the received signals (ω g1 = ω 1 and ω g2 = ω 2 ), low-frequency voltages (zero-frequency voltages) are allocated by low-pass filters 12.1 and 12.2:

uн1(t)=Uн1⋅cosϕk1(t),u н1 (t) = U н1 ⋅cosϕ k1 (t),

uн2(t)=Uн2⋅cosϕk2(t),u n2 (t) = U n2 ⋅cosϕ k2 (t),

где

Figure 00000021
Where
Figure 00000021

Figure 00000022
Figure 00000022

пропорциональные модулирующим кодам M1(t) и M2(t) соответственно. Эти напряжения поступают на входы блока 4 регистрации и анализа.proportional to the modulating codes M 1 (t) and M 2 (t), respectively. These voltages are fed to the inputs of block 4 registration and analysis.

Следует отметить, что выбор частот ωг1 и ωг2 гетеродинов 10.1 и 10.2, равных частоте ω1 и ω2 принимаемых ФМн сигналов (ωг11 и ωг22), обеспечивают совмещение двух процедур:It should be noted that the choice of frequencies ω g1 and ω g2 of local oscillators 10.1 and 10.2, equal to the frequency ω 1 and ω 2 of the received PSK signals (ω g1 = ω 1 and ω g2 = ω 2 ), provides a combination of two procedures:

преобразование принимаемых ФМн сигналов на нулевые частоты и выделение низкочастотных напряжений uн1(t) и uн2(t), пропорциональных модулирующим кодам M1(t) и M2(t), т.е. синхронное детектирование принимаемых ФМн сигналов с помощью смесителя 11.1(11.2), гетеродина 10.1 (10.2) и фильтра 12.1(12.2) нижних частот. Такие схемные конструкции позволяют избавиться от дополнительных каналов приема (зеркальных каналов на частотах ωз1, ωз2, комбинационных каналов на частотах ωк1, ωк2, ωк3 и ωк4the conversion of the received PSK signals to zero frequencies and the allocation of low-frequency voltages u н1 (t) and u н2 (t) proportional to the modulating codes M 1 (t) and M 2 (t), i.e. synchronous detection of received PSK signals using a mixer 11.1 (11.2), a local oscillator 10.1 (10.2) and a low-pass filter 12.1 (12.2). Such circuit designs can get rid of additional receiving channels (mirror channels at frequencies ω z1 , ω z2 , combination channels at frequencies ω k1 , ω k2 , ω k3 and ω k4 ) ·

Так как частоты ω1 и ω2 принимаемых ФМн могут измениться под воздействием различных дестабилизирующих факторов, в том числе и эффекта Доплера, то для выполнения и поддержания равенства ωг11 и ωг22 используется система ФАПЧ 16.1 (16.2), состоящая из перемножителя 14.1 (14.2), фазовращателя 13.1 (13.2) на 90° и фазового детектора 15.1 (15.2).Since the frequencies ω 1 and ω 2 of the received FMN can change under the influence of various destabilizing factors, including the Doppler effect, then to fulfill and maintain the equality ω g1 = ω 1 and ω g2 = ω 2 , the PLL 16.1 is used (16.2), consisting of a multiplier 14.1 (14.2), a phase shifter 13.1 (13.2) by 90 ° and a phase detector 15.1 (15.2).

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение чувствительности обнаружения и точности определения скорости распространения и направления прихода ионосферного возмущения, регистрируемого двухчастотными приемниками спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС/GPS. Это достигается за счет подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, и устранения явления «обратной работы».Thus, the proposed method compared to the prototype and other technical solutions of a similar purpose provides an increase in the detection sensitivity and the accuracy of determining the propagation velocity and direction of arrival of the ionospheric disturbance recorded by the two-frequency receivers of the GLONASS / GPS satellite radio navigation system. This is achieved by suppressing false signals (interference) received via additional channels and eliminating the phenomenon of “reverse operation”.

Техническая реализация указанных процедур обеспечивается гетеродинами, смесителями, фильтрами нижних частот и системами ФАПУ. При этом данные схемные конструкции одновременно выполняют роль преобразователей частоты и синхронных демодуляторов принимаемых ФМн сигналов, свободных от дополнительных каналов приема и явления «обратной работы», отличаются простотой, новизной, оригинальностью и могут найти широкое практическое применение.Technical implementation of these procedures is provided by local oscillators, mixers, low-pass filters and FAPU systems. Moreover, these circuit designs simultaneously serve as frequency converters and synchronous demodulators of received PSK signals, free of additional reception channels and the phenomenon of “reverse operation”, are simple, novel, original and can be widely used.

Claims (1)

Способ определения скорости распространения и направления прихода ионосферного возмущения, основанный на анализе данных о полном электронном содержании в ионосфере Земли, которые получают в результате обработки сигналов, принятых двухчастотными приемниками спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС/GPS, с последующим формированием временных рядов полного электронного содержания и их фильтрацией в диапазоне периодов колебаний, соответствующих отклику ионосферы на воздействие источника ионосферного возмущения, при этом используют протяженную приемную антенну и последовательно проверяют гипотезу о значениях направления прихода и скорости распространения плоского фронта ионосферного возмущения путем формирования диаграммы направленности приемной решетки и ее сканирования в заданном секторе обзора пространства "направление прихода - скорость распространения ионосферного возмущения" за счет синтеза выходного сигнала приемной решетки при синфазном суммировании рядов вариаций полного электронного содержания отдельных элементов решетки с временными сдвигами, рассчитанными исходя из проверяемых значений направления ионосферного возмущения и расстояний, пройденных фронтом ионосферного возмущения между элементами приемной решетки в проверяемом направлении внутри сферического слоя ионосферы Земли, решение о правильности проверяемой гипотезы и обнаружении ионосферного возмущения принимается при превышении суммарным сигналом заданного порогового уровня, соответствующие значения направления прихода и фазовой скорости распространения ионосферного возмущения считаются оценочными значениями, при этом для определения полного электронного содержания ионосферы осуществляют совместно кодовые измерения путем кодирования двухчастотных сигналов, передаваемых спутниковой радионавигационной системой ГЛОНАСС/GPS и принимаемых их двухчастотными приемниками спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС/GPS, и фазовые измерения, учитывают групповые поправки, связанные с многолучевостью распространения сигнала и с вертикальными ионосферными и тропосферными задержками и используют дифференциальный режим спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS посредством двух приемников, один из которых имеет известные координаты, отличающийся тем, что принимают сигналы ГЛОНАСС/GPS на несущих частотах ω1 и ω2, преобразуют их по частоте с использованием частот ωг1 и ωг2 первого и второго гетеродинов, которые выбирают равными несущим частотам ωг11 и ωг22, выделяют низкочастотные напряжения, пропорциональные модулирующим кодам M1(t) и M2(t) соответственно, регистрируют и анализируют их, а также перемножают с напряжениями первого и второго гетеродинов, предварительно сдвинутыми по фазе на 90°, формируют управляющие напряжения, воздействуют ими на управляющие входы гетеродинов и поддерживают равенства ωг11 и ωг22.A method for determining the propagation velocity and direction of arrival of the ionospheric disturbance, based on the analysis of data on the total electronic content in the Earth’s ionosphere, which are obtained as a result of processing signals received by two-frequency receivers of the GLONASS / GPS satellite navigation system, followed by the formation of time series of the full electronic content and their filtering in the range of oscillation periods corresponding to the response of the ionosphere to the action of a source of ionospheric disturbance, using cosiness is an extended receiving antenna and the hypothesis about the values of the direction of arrival and the propagation velocity of the plane front of the ionospheric disturbance is checked by forming the radiation pattern of the receiving array and scanning it in a given sector of the space overview "arrival direction - propagation velocity of the ionospheric disturbance" due to the synthesis of the output signal of the receiving array at in-phase summation of series of variations in the total electronic content of individual lattice elements with time shift calculated on the basis of the verified values of the direction of the ionospheric perturbation and the distances traveled by the front of the ionospheric perturbation between the elements of the receiving lattice in the checked direction inside the spherical layer of the Earth’s ionosphere, the decision about the correctness of the hypothesis being tested and the detection of the ionospheric perturbation is made when the total signal exceeds a predetermined threshold level, the corresponding values the directions of arrival and the phase velocity of propagation of the ionospheric disturbance are considered In order to determine the total electronic content of the ionosphere, they carry out joint code measurements by encoding two-frequency signals transmitted by the GLONASS / GPS satellite radio navigation system and received by their two-frequency receivers of the GLONASS / GPS satellite radio navigation system, and phase measurements take into account group corrections associated with multipath propagation signal with vertical ionospheric and tropospheric delays and use the differential mode of satellite radios GLONASS / GPS navigation systems through two receivers, one of which has known coordinates, characterized in that they receive GLONASS / GPS signals at carrier frequencies ω 1 and ω 2 , convert them in frequency using frequencies ω g1 and ω g2 of the first and second local oscillators which are chosen equal to the carrier frequencies ω g1 = ω 1 and ω g2 = ω 2 , low-frequency voltages are proportional to the modulating codes M 1 (t) and M 2 (t), respectively, they are recorded and analyzed, and they are also multiplied with the voltages of the first and second local oscillators, precedes flax shifted in phase by 90 °, form the control voltages, to affect their control inputs of the oscillators and maintained equality r1 ω = ω 1 and ω 2 = ω z2.
RU2016111749A 2016-03-29 2016-03-29 Method of determining speed of distribution and direction of ionospheric perturbation RU2624634C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016111749A RU2624634C1 (en) 2016-03-29 2016-03-29 Method of determining speed of distribution and direction of ionospheric perturbation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016111749A RU2624634C1 (en) 2016-03-29 2016-03-29 Method of determining speed of distribution and direction of ionospheric perturbation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2624634C1 true RU2624634C1 (en) 2017-07-05

Family

ID=59312532

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016111749A RU2624634C1 (en) 2016-03-29 2016-03-29 Method of determining speed of distribution and direction of ionospheric perturbation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2624634C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115728797A (en) * 2022-10-17 2023-03-03 南方科技大学 A GNSS multi-system ionospheric disturbance analysis method for tsunami warning
CN118915121A (en) * 2024-09-30 2024-11-08 山东理工大学 Method for reflecting single-point overhead ionosphere MSNA abnormality by using height measurement satellite

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4761650A (en) * 1985-12-06 1988-08-02 Communications Research Laboratory, Ministry Of Posts And Telecommunications System for measuring height distributions of atmospheric temperature, wind direction and wind speed
RU2189051C2 (en) * 2000-07-11 2002-09-10 Иркутский военный авиационный инженерный институт Technique detecting ionospheric disturbance and locating position of its source
RU2379709C1 (en) * 2008-06-25 2010-01-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутское высшее военное авиационное инженерное училище (военный институт)" Министерства обороны Российской Федерации Method of determining propagation speed and direction of arrival of ionospheric disturbance
JP2013186127A (en) * 2012-03-09 2013-09-19 Thales Adaptive method for estimating electron content of ionosphere
US20150192670A1 (en) * 2014-01-08 2015-07-09 Electronics And Telecommunications Research Institute Method and apparatus for extracting ionospheric trace
RU2560525C1 (en) * 2014-06-25 2015-08-20 Александр Васильевич Тертышников Method of determining position of epicentral area of source and propagation speed of travelling ionospheric disturbances
RU2560094C2 (en) * 2013-12-03 2015-08-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт прикладной геофизики имени академика Е.К.Федорова" (ФГБУ "ИПГ") Method of determining propagation speed and direction of arrival of ionospheric perturbation

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4761650A (en) * 1985-12-06 1988-08-02 Communications Research Laboratory, Ministry Of Posts And Telecommunications System for measuring height distributions of atmospheric temperature, wind direction and wind speed
RU2189051C2 (en) * 2000-07-11 2002-09-10 Иркутский военный авиационный инженерный институт Technique detecting ionospheric disturbance and locating position of its source
RU2379709C1 (en) * 2008-06-25 2010-01-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутское высшее военное авиационное инженерное училище (военный институт)" Министерства обороны Российской Федерации Method of determining propagation speed and direction of arrival of ionospheric disturbance
JP2013186127A (en) * 2012-03-09 2013-09-19 Thales Adaptive method for estimating electron content of ionosphere
RU2560094C2 (en) * 2013-12-03 2015-08-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт прикладной геофизики имени академика Е.К.Федорова" (ФГБУ "ИПГ") Method of determining propagation speed and direction of arrival of ionospheric perturbation
US20150192670A1 (en) * 2014-01-08 2015-07-09 Electronics And Telecommunications Research Institute Method and apparatus for extracting ionospheric trace
RU2560525C1 (en) * 2014-06-25 2015-08-20 Александр Васильевич Тертышников Method of determining position of epicentral area of source and propagation speed of travelling ionospheric disturbances

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115728797A (en) * 2022-10-17 2023-03-03 南方科技大学 A GNSS multi-system ionospheric disturbance analysis method for tsunami warning
CN115728797B (en) * 2022-10-17 2023-08-22 南方科技大学 A GNSS multi-system ionospheric disturbance analysis method for tsunami warning
CN118915121A (en) * 2024-09-30 2024-11-08 山东理工大学 Method for reflecting single-point overhead ionosphere MSNA abnormality by using height measurement satellite

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jin et al. GNSS remote sensing
Demyanov et al. The second-order derivative of GPS carrier phase as a promising means for ionospheric scintillation research
RU2560094C2 (en) Method of determining propagation speed and direction of arrival of ionospheric perturbation
Kumar et al. The global positioning system: Popular accuracy measures
RU2624634C1 (en) Method of determining speed of distribution and direction of ionospheric perturbation
Muradyan et al. GPS/INS navigation precision and its effect on airborne radio occultation retrieval accuracy
Bernhardt et al. Ionospheric applications of the scintillation and tomography receiver in space (CITRIS) mission when used with the DORIS radio beacon network
AL-FANEK Ionospheric imaging for Canadian polar regions
RU2622511C1 (en) Method of clock synchronization and device for its implementation
RU2655164C2 (en) System for determining propagation speed and direction of arrival of ionospheric disturbance
Kunitsyn et al. Earthquake prediction research using radio tomography of the ionosphere
Shagimuratov et al. Use of GLONASS for studying the ionosphere
Morel et al. Diagnostic of the dayside ionosphere of Mars using the total electron content measurement by the NEIGE/Netlander experiment: An assessment study
Luo et al. Mathematical models for GPS positioning
Schaer GNSS ionosphere analysis at CODE
Martin Gps carrier phase tracking in difficult environments using vector tracking for precise positioning and vehicle attitude estimation
Durmaz Non-parametric and semi-parametric regional modeling of the ionospheric vertical total electron content using ground-based gps observations
Desai et al. Ionodelay models for satellite based navigation system
Xia et al. Estimation and evaluation of COSMIC radio occultation excess phase using undifferenced measurements
Lee et al. GPS continuously operating reference station (cors) selection towards regional gps orbit determination: a simulated study using trilateration technique
Malik et al. Cost‐effective and novel regional navigation system using HEO/GEO and GEO/IGS Constellations
Miidla et al. Simulated studies of water vapour tomography
Hofmann-Wellenhof et al. Observables
Čaušević et al. GNSS Limitations During Position Determination and Receiver Rerformance Testing Using Android Mobile Application.
Supriadi et al. Assessment of corrected time-step method for nominal ionospheric gradient calculation: A comparative analysis with spatial approaches

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180330