RU2693842C1 - Method for probing the ionosphere and troposphere - Google Patents

Method for probing the ionosphere and troposphere Download PDF

Info

Publication number
RU2693842C1
RU2693842C1 RU2018127892A RU2018127892A RU2693842C1 RU 2693842 C1 RU2693842 C1 RU 2693842C1 RU 2018127892 A RU2018127892 A RU 2018127892A RU 2018127892 A RU2018127892 A RU 2018127892A RU 2693842 C1 RU2693842 C1 RU 2693842C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ionosphere
radio
signals
sounding
troposphere
Prior art date
Application number
RU2018127892A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Васильевич Тертышников
Игорь Иванович Иванов
Юрий Владимирович Писанко
Владимир Михайлович Смирнов
Алексей Алексеевич Палей
Дмитрий Сергеевич Ковалев
Артем Михайлович Тертышников
Юлия Александровна Дубова
Марина Дмитриевна Зинкина
Original Assignee
Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение "Институт Прикладной Геофизики Имени Академика Е.К. Федорова" (Фгбу "Ипг")
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 Бюджетное Учреждение "Институт Прикладной Геофизики Имени Академика Е.К. Федорова" (Фгбу "Ипг") filed Critical Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение "Институт Прикладной Геофизики Имени Академика Е.К. Федорова" (Фгбу "Ипг")
Priority to RU2018127892A priority Critical patent/RU2693842C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2693842C1 publication Critical patent/RU2693842C1/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
    • G01S1/00Beacons or beacon systems transmitting signals having a characteristic or characteristics capable of being detected by non-directional receivers and defining directions, positions, or position lines fixed relatively to the beacon transmitters; Receivers co-operating therewith
    • G01S1/02Beacons or beacon systems transmitting signals having a characteristic or characteristics capable of being detected by non-directional receivers and defining directions, positions, or position lines fixed relatively to the beacon transmitters; Receivers co-operating therewith using radio waves
    • G01S1/08Systems for determining direction or position line
    • G01S1/20Systems for determining direction or position line using a comparison of transit time of synchronised signals transmitted from non-directional antennas or antenna systems spaced apart, i.e. path-difference systems
    • G01S1/30Systems for determining direction or position line using a comparison of transit time of synchronised signals transmitted from non-directional antennas or antenna systems spaced apart, i.e. path-difference systems the synchronised signals being continuous waves or intermittent trains of continuous waves, the intermittency not being for the purpose of determining direction or position line and the transit times being compared by measuring the phase difference
    • G01S1/32Systems in which the signals received, with or without amplification, or signals derived therefrom, are compared in phase directly contains no documents
    • 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
    • G01S19/00Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/03Cooperating elements; Interaction or communication between different cooperating elements or between cooperating elements and receivers
    • G01S19/07Cooperating elements; Interaction or communication between different cooperating elements or between cooperating elements and receivers providing data for correcting measured positioning data, e.g. DGPS [differential GPS] or ionosphere corrections
    • 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
    • G01S7/28Details of pulse systems
    • G01S7/285Receivers
    • G01S7/292Extracting wanted echo-signals
    • 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

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

Abstract

FIELD: geophysics.
SUBSTANCE: invention relates to geophysics and is intended for monitoring of natural environment, information support of radio communication and navigation. Information obtained from radio markers is easily integrated into the existing ionosphere monitoring system and enables to expand the probing area of the ionosphere and the troposphere over oceans and hard-to-access regions of the Earth. In the algorithm for calculating characteristics of tropospheric refraction, a scheme is proposed for calculating integral moisture content in the atmosphere and profiles of moisture in the atmosphere.
EFFECT: technical result consists in probing the outer ionosphere from low orbits of spacecraft used in the proposed scheme, and provides higher efficiency and efficiency of monitoring the ionosphere and troposphere.
1 cl, 4 dwg

Description

Заявленный способ зондирования ионосферы и тропосферы относится к геофизике, и предназначен для мониторинга природной среды, информационного обеспечения радиосвязи и навигации, исследования эффектов солнечной активности. The claimed method of sounding the ionosphere and the troposphere relates to geophysics, and is intended for monitoring the natural environment, providing information for radio communications and navigation, and studying the effects of solar activity.

Известные технологии зондирования ионосферы базируются на взаимодействии электромагнитного излучения с ионосферной плазмой. Схемы зондирования ионосферы предусматривают излучение радиосигнала в ионосферу и его прием с последующим анализом изменения фазовых, частотных и временных характеристик. The known technologies of sounding the ionosphere are based on the interaction of electromagnetic radiation with the ionospheric plasma. The sounding schemes of the ionosphere provide for the emission of a radio signal into the ionosphere and its reception with subsequent analysis of changes in phase, frequency and time characteristics.

По положению источника зондирующего сигнала технологии зондирования ионосферы можно условно разделить на приземные («снизу - вверх») и спутниковые («сверху - вниз», сюда входит и радиозатменное зондирование). Зондирование «снизу - вверх» обычно реализуется над сушей и обычно ограничивается высотами основного F2-слоя ионосферы. Для мониторинга ионосферы над океанами обычно используются спутниковые технологии зондирования и модели ионосферы. При этом, не достижимы требования Всемирной метеорологической организации к мониторингу ионосферы. Установка станций ионосферного зондирования на корабли, как попытка решения этой проблемы, - сложная техническая задача, а результаты такого зондирования не рентабельны. Необходимы новые технические решения. According to the position of the source of the sounding signal, the sounding technologies of the ionosphere can be conditionally divided into surface (“bottom-up”) and satellite (“top-down”, this includes radio-dark sounding). Bottom-up sounding is usually implemented over land and is usually limited to the heights of the main F2-layer of the ionosphere. To monitor the ionosphere over the oceans, satellite sensing technologies and models of the ionosphere are commonly used. At the same time, the requirements of the World Meteorological Organization for monitoring the ionosphere are not achievable. Installing ionospheric sounding stations on ships, as an attempt to solve this problem, is a difficult technical problem, and the results of such sounding are not profitable. New technical solutions are needed.

Во всех технологиях зондирования ионосферы используются физические основы, определяющие изменение характеристик радиосигналов в ионосфере и в тропосфере из-за уменьшения фазовой скорости радиоволн, поляризации молекул водяного пара в магнитном поле Земли [1]. Набег фазы при распространении сигнала в неидеальной среде определяется протяженностью траектории L распространения сигнала между приемником и передатчиком и коэффициентом преломления среды n [2]: All technologies of sounding the ionosphere use physical bases that determine the change in the characteristics of radio signals in the ionosphere and in the troposphere due to a decrease in the phase velocity of radio waves and the polarization of water vapor molecules in the Earth’s magnetic field [1]. The phase shift during signal propagation in a non-ideal medium is determined by the length of the signal propagation path L between the receiver and transmitter and the refractive index of the medium n [2]:

Figure 00000001
, (1)
Figure 00000001
, (one)

где, ϕ - набег фазы для рабочей частоты f сигнала, nl - коэффициент преломления сигнала вдоль трассы прохождения сигнала, ϕ0 - некоторая неизвестная начальная фаза сигнала, с - скорость света. where, ϕ is the phase incursion for the operating frequency f of the signal, n l is the refractive index of the signal along the signal path, ϕ 0 is some unknown initial phase of the signal, and c is the speed of light.

В ионосфере, если пренебречь малым влиянием соударений частиц среды и магнитного поля [1, 2]: In the ionosphere, if we neglect the small influence of collisions of particles of the medium and the magnetic field [1, 2]:

Figure 00000002
, (2)
Figure 00000002
, (2)

где nе - локальная концентрация электронов. where n e is the local electron concentration.

В тропосфере показатель преломления радиоволн не зависит от частоты [1, 3]: In the troposphere, the refractive index of radio waves does not depend on the frequency [1, 3]:

nТр=1+K1(P - e)/T+K2e/T+K3e/T2, (3)n Tr = 1 + K 1 (P - e) / T + K 2 e / T + K 3 e / T 2 , (3)

где K1-3 - эмпирические коэффициенты, where K 1-3 - empirical coefficients,

Р - атмосферное давление, P - atmospheric pressure

Т - температура воздуха, К, T - air temperature, K,

е - парциальное давление водяного пара, Па. e - partial pressure of water vapor, Pa.

С учетом показателей преломления радиоволн в ионосфере, оценок задержек принимаемых сигналов и координат приемника и передатчика на КА предложены решения в патенте РФ № 2042129 «Ионосферный зонд», патенте РФ на полезную модель № 76462 по заявке РФ 2010105905 от 19.02.2010 г. на аппаратно-программный комплекс ионосферного мониторинга, а для зондирования характеристик тропосферной задержки - в [3]. Недостатки этих решений учтены в патенте № 2502080 [1], где предложен способ зондирования ионосферы, тропосферы и геодвижений по схеме «сверху - вниз» на основе данных, получаемых с сети навигационных приемников сигналов GPS/ГЛОНАСС/Galileo, данных ионозондов наземного и космического базирования, учет тропосферных задержек в характеристиках GPS/ГЛОНАСС/Galileo-сигналов и сигналов с геостационарных КА, погрешностей в расчетах профилей концентрации заряженных частиц и относительных оценок ПЭС, качества моделей ионосферы и тропосферы, верификация и валидация алгоритмов, контроль и поверки предложенного к использованию оборудования. Однако [1], как основной прототип предлагаемого способа зондирования ионосферы и тропосферы, но по схеме радиопросвечивания «сверху-вниз», характеризуется информационной избыточностью, к тому же зондирование ионосферы и тропосферы не является задачей ГНСС, поэтому наземное приемное оборудование сигналов ГНСС - навигационные приемники используются в схеме зондирования ионосферы не по прямому назначению, дороги, требуют сложного программного обеспечения и значительных эксплуатационных расходов. Альтернативно разрабатываемые специализированные проекты космических систем для зондирования ионосферы не рентабельны и используют также схему зондирования «сверху - вниз». Taking into account the refractive indices of radio waves in the ionosphere, estimates of the delays of received signals and the coordinates of the receiver and transmitter on the spacecraft, solutions are proposed in RF patent No. 2042129 “Ionospheric probe”, RF patent for useful model No. 76462 by RF application 201010505905 dated February 19, 2010 for hardware -program complex of ionospheric monitoring, and for probing the characteristics of the tropospheric delay - in [3]. The disadvantages of these solutions are taken into account in patent No. 2502080 [1], where a method for sounding the ionosphere, troposphere and geo-motions using the “top-down” scheme is proposed based on data received from the network of GPS / GLONASS / Galileo navigation receivers, ground-based and space-based ionosonde data , consideration of tropospheric delays in the characteristics of GPS / GLONASS / Galileo signals and signals from geostationary spacecraft, errors in the calculations of charged particle concentration profiles and relative PES estimates, quality of the ionosphere and troposphere models, verification and shaft identification of algorithms, control and verification of the equipment proposed for use. However, [1], as the main prototype of the proposed method of sounding the ionosphere and troposphere, but according to the top-down radio sounding scheme, is characterized by information redundancy, and the sounding of the ionosphere and troposphere is not a GNSS problem, therefore ground-based receiving equipment of GNSS signals — navigation receivers used in the scheme of sounding the ionosphere is not for its intended purpose, roads, require sophisticated software and significant maintenance costs. Alternatively developed specialized projects of space systems for sounding the ionosphere are not cost-effective and also use a top-down sounding scheme.

Чтобы повысить рентабельность зондирования ионосферы, особенно над обширными пространствами океанов, целесообразно использовать схему радиопросвечивания ионосферы «снизу - вверх» с источником просвечивающих ионосферу радиосигналов (далее радиомаркером) у поверхности Земли или в атмосфере и приемником сигналов с антенной на космических аппаратах. Предлагаемая схема зондирования показана на фиг. 1, где: In order to increase the profitability of sounding the ionosphere, especially over the vast expanses of the oceans, it is advisable to use a bottom-up ionosphere radio-sounding scheme with a source of radio signals transmitted through the ionosphere (hereinafter referred to as a radio marker) at the Earth's surface or in the atmosphere and a receiver of signals with an antenna on spacecraft. The proposed sensing scheme is shown in FIG. 1, where:

11…1k - группировка КА, принимающих сигналы радиомаркеров через бортовые антенные устройства; 1 1 ... 1 k - grouping of spacecraft that receive signals of radio markers through on-board antenna devices;

21…2n - приземные радиомаркеры с антенным устройством и блоком энергообеспечения; 2 1 ... 2 n - surface radio markers with antenna device and power supply unit;

31…3n - станции приема, обработки и передачи спутниковых данных; 3 1 ... 3 n - stations for receiving, processing and transmitting satellite data;

4 - слой ионосферы; 4 - ionosphere layer;

51…5i - КА ГНСС и геостационарные КА, которые также могут быть оснащены приемниками сигналов радиомаркеров. 5 1 ... 5 i - spacecraft of GNSS and geostationary spacecraft, which can also be equipped with receivers of radiomark signals.

Радиомаркер должен быть оснащен блоком питания и антенной, хронизатором, что в целом на порядки дешевле используемых в прототипе профессиональных геодезических приемников. Это приближает радиомаркер к категории расходных инструментов, что особенно актуально для обширных и труднодоступных территорий. Корпус радиомаркера должен обеспечивать сохранность блока энергопитания, приемовычислителей и антенн от воздействий природной среды. The radio marker must be equipped with a power supply and an antenna, a chroniser, which is generally orders of magnitude cheaper than the professional geodetic receivers used in the prototype. This brings the radio marker to the category of consumable tools, which is especially important for large and inaccessible areas. The body of the radio marker must ensure the safety of the power supply unit, the calculators and antennas from the effects of the natural environment.

Антенные устройства для приема сигналов радиомаркеров представляют собой одну или несколько антенн с малошумящим усилителем (МШУ), переходником для подсоединения к высокочастотному кабелю, через который обеспечивается также питание МШУ. По уровню принимаемого сигнала происходит предварительная фильтрация принимаемых сигналов, например на переход из спящего в рабочий режим схемы зондирования, их последующая идентификация и контроль полноты кодовых принимаемых последовательностей. При установке антенн предусматривается обзор в выбранных секторах. Antenna devices for receiving radiomark signals are one or more antennas with a low-noise amplifier (LNA), an adapter for connecting to a high-frequency cable, through which LNA power is also provided. According to the level of the received signal, pre-filtering of the received signals occurs, for example, on the transition from the sleeping to the operating mode of the sounding circuit, their subsequent identification and control of the completeness of the code received sequences. At installation of antennas the review in the chosen sectors is provided.

Отличительной особенностью радиомаяка - источника синхронизированных по времени сигналов - прошитый в структуре его сигналов идентификационный индекс. Задержка принимаемой приемником на КА кодовой последовательности индекса на не менее двух частотах (f1 и f2) позволяет оценить концентрацию заряженных частиц в ионосфере ПЭС=I0 [1] по траектории зондирования в соответствии с (2): A distinctive feature of a radio beacon - a source of time-synchronized signals - is an identification index stitched in the structure of its signals. The delay of the index code sequence received by the receiver on the spacecraft at at least two frequencies (f 1 and f 2 ) makes it possible to estimate the concentration of charged particles in the ionosphere PES = I 0 [1] along the sounding trajectory in accordance with (2):

Figure 00000003
(4)
Figure 00000003
(four)

где L1 - число оборотов фазы по радиолучу на частоте f1 принимаемого сигнала с длиной волны λ1=с/f1, const1 и σL1 - константы. where L 1 is the phase rotation frequency of the radio beam at the frequency f 1 of the received signal with the wavelength λ 1 = c / f 1 , const 1 and σL 1 are constants.

L1λ1 и L2λ2 можно заменить соответствующими значениями оценок псевдодальности до приемника на КА. L 1 λ 1 and L 2 λ 2 can be replaced by the corresponding values of the pseudorange estimates to the receiver on the spacecraft.

Константы оцениваются в результате экспериментов, могут задаваться в технической документации, рассчитываться с помощью модели ионосферы, по эталонным сигналам, по данным наземных и космических ионозондов. Constants are estimated as a result of experiments, can be specified in technical documentation, calculated using the ionosphere model, according to reference signals, according to land and space ionosondes.

Для расчетов ПЭС в вертикальном столбе необходима коррекция на наклон видимого КА: For the calculation of the TEC in the vertical column, a correction to the slope of the visible spacecraft is necessary:

I зенит(t, φ, λ) = I0(t, φ, λ)

Figure 00000004
, (5)I zenith (t, φ, λ) = I 0 (t, φ, λ)
Figure 00000004
, (five)

где α - зенитный угол направления на КА, Нионосф - высота ионосферного слоя (который, обычно, задается в предположении тонкого слоя), RЗ - радиус Земли, t - время, ϕ - широта, λ - долгота радиомаркера. where α is the zenith angle of the direction to the spacecraft, H ionosphere is the height of the ionospheric layer (which is usually specified under the assumption of a thin layer), R З is the radius of the Earth, t is the time, ϕ is the latitude, λ is the longitude of the radio marker.

Радиопросвечивание ионосферы в предлагаемом способе возможно и на одной частоте, но это сложнее в информационном отношении и снижает оперативность получения конечных результатов зондирования. К тому же псевдодальности (мгновенные оценки расстояний) между радиомаркером и приемников на КА, рассчитываемые по одночастотной схеме, сильно зашумлены. Поэтому для получения адекватных оценок необходим длительный анализ принимаемых сигналов, что критично для оперативного зондирования ионосферы, учитывая ее быструю изменчивость. The radio-transmission of the ionosphere in the proposed method is possible at the same frequency, but this is more difficult in terms of information and reduces the efficiency of obtaining the final results of sounding. In addition, the pseudo-ranges (instantaneous distance estimates) between the radio marker and the receivers on the spacecraft, calculated by the single-frequency scheme, are very noisy. Therefore, to obtain adequate estimates, long-term analysis of the received signals is necessary, which is critical for the operational sounding of the ionosphere, given its rapid variability.

Для повышения точности определения ПЭС необходимо использовать сигналы на не менее двух разнесенных частотах, большие углы излучения сигналов радиомаркера, среднюю аддитивную или среднюю геометрическую оценки ПЭС или их комбинации по используемым в расчетах частотам и видимым приемникам на КА в зоне излучения радиомаркера. To improve the accuracy of determining PES, it is necessary to use signals at at least two separated frequencies, large angles of radiation of radiomark signals, average additive or average geometric estimates of PES, or a combination of the frequencies used in calculations and visible receivers on the spacecraft in the radiation zone of the radio marker.

Одним из ставших традиционным решением обеспечения функцией хронизатора (датчика точного времени), в том числе для предлагаемой схемы зондирования ионосферы и тропосферы, является, например, технология привязки к точному времени Глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Их КА тоже могут быть использованы для размещения приемной аппаратуры сигналов радиомаркеров. Однако, как показали расчеты, использование орбит этих КА, как и на геостационарах, повышает необходимую мощность излучения радиомаркера до 15-20 Вт, по сравнению использованием в схеме зондирования КА на низких орбитах, где, например, для передачи на орбиты КА подвижной спутниковой связи типа «Гонец» требуется мощность приземного радиомаркера около 1 Вт. Следствием повышения мощности излучения является уменьшение автономности радиомаркера, обеспечиваемого электроэнергией от аккумуляторов и/или солнечных батарей. One of the traditional solutions for providing the chronization function (time sensor), including for the proposed sounding of the ionosphere and troposphere, is, for example, the exact timing technology of the Global Navigation Satellite Systems (GNSS). Their spacecraft can also be used to house receiving equipment for radio marker signals. However, as the calculations showed, the use of the orbits of these spacecraft, as well as at geostationaries, increases the required radiation power of the radio marker to 15–20 W, compared to the use of low-orbit spacecraft sensing in the scheme, where, for example, to transmit mobile satellite communications to orbits of the “Gonets” type, the power of the surface radio marker is about 1 W. The consequence of increasing the radiation power is a decrease in the autonomy of the radio marker provided by electric energy from batteries and / or solar batteries.

Приемные устройства на КА, принимающие через антенные устройства сигналы подионосферных радиомаркеров, формируют поток информации в бортовых приемо-вычислителях КА с последующей ретрансляцией полученных результатов через бортовые системы связи, хранения и передачи данных в пункты приема обработки и хранения информации или через геостационарные КА, как, например, в системе «Луч». Установленные на КА многочастотные навигационные приемники сигналов ГНСС позволяют решать задачу зондирования внешней ионосферы и затменного зондирования. Receivers on the spacecraft, receiving signals from subionospheric radio markers through antenna devices, form a stream of information in the spacecraft's onboard receiver-calculators with subsequent retransmission of the results obtained through the onboard communication systems, data storage and transmission to the receiving and processing points, or through geostationary spacecraft, for example, in the “Ray” system. The multi-frequency navigation receivers of GNSS signals installed on the spacecraft allow solving the problem of sounding the external ionosphere and eclipsing sounding.

Следует отметить, что для схемы зондирования «сверху-вниз» в [4] были предложены варианты использования полярных ионосферных КА на высокоэллиптических орбитах с бортовыми ионозондами для мониторинга полярной ионосферы, что, по мнению авторов, должно потенциально обеспечить наибольшую точность определения основных параметров ионосферы (f0F2, hmF2), поскольку критическая частота дает улучшение результатов адаптации международной модели ионосферы (IRI) на 30-60% по сравнению с долгосрочным прогнозом. В [5] заявлено, что параметр hmF2 может обеспечить повышение на 15-20%, МПЧ в среднем до 40%, ПЭС - в среднем до 30%. Однако, учитывая размеры зон Френеля зондирующих сигналов в данной схеме зондирования с высокоэллиптических орбит, игнорирование морфоструктурных особенностей полярной ионосферы и ее изменчивости, переход от климатической модели ионосферы IRI к адаптируемой модели ионосферы SIMP2, серьезные сомнения в технической реализуемости данной схемы зондирования указанные оценки повышения качества зондирования ионосферы можно отнести к популистским. It should be noted that the top-down sounding scheme in [4] proposed options for using polar ionospheric spacecraft in highly elliptical orbits with onboard ionosonde to monitor the polar ionosphere, which, according to the authors, should potentially ensure the greatest accuracy in determining the basic parameters of the ionosphere ( f 0 F2, h m F2), since the critical frequency gives an improvement in the results of adaptation of the international ionosphere model (IRI) by 30-60% compared with the long-term forecast. In [5] stated that the parameter h m F2 can provide an increase of 15-20%, MUF on average up to 40%, PES - on average up to 30%. However, given the size of the Fresnel probing signals in this sounding scheme from highly elliptical orbits, ignoring the morphostructural features of the polar ionosphere and its variability, the transition from the climate model of the ionosphere IRI to the adaptable quality ionosphere model SIMP2 The ionosphere can be attributed to populist.

Основным недостатком вариантов зондирования по схеме «сверху-вниз» является значительный энергетический потенциал канала и сложность интерпретации ионограмм внешнего зондирования (СВЗ) с высоких орбит, особенно для неоднородной и нестационарной полярной ионосферы. При этом игнорируется ее морфология. Ограничение по энергетике канала зондирования предлагается устранить за счет использования сложных сигналов и их накопления при СВЗ, либо за счет применения трансионосферного зондирования (ТИЗ). Но это усложняет технологию зондирования, так как получение ионограмм СВЗ энергозатратно, что критично для энергообеспечения КА, кроме того, возникают трудности по электромагнитной совместимости (ЭМС) на борту КА, что, при накоплении сложных сигналов, значительно удлиняет сеанс зондирования, снижая тем самым оперативность мониторинга ионосферы. The main drawback of top-down sensing options is the significant energy potential of the channel and the difficulty of interpreting external sensing ionograms (SVZ) from high orbits, especially for the heterogeneous and non-stationary polar ionosphere. At the same time, its morphology is ignored. It is proposed to remove the restriction on the channel-sensing energy through the use of complex signals and their accumulation during an SVZ, or through the use of trans-ionospheric sounding (SIZ). But this complicates the sensing technology, since the acquisition of SVZ ionograms is energy-intensive, which is critical for the power supply of the spacecraft, in addition, difficulties arise in electromagnetic compatibility (EMC) on board the spacecraft, which, when accumulating complex signals, significantly extends the sensing session, thereby reducing the efficiency monitoring of the ionosphere.

При приеме сигналов приземного радиомаркера на КА энергетика канала обеспечивается за счет наземного передатчика, кроме того, не требуется использование сложных сигналов. Пассивный приемник не нарушает требований ЭМС, упрощается «привязка» хронизатора приемника по времени и эфемеридам, характеристики принятых сигналов могут быть переданы по служебным каналам связи. Кроме того, при ограничении частотного диапазона более частоты отсечки сигнала ионосферой уменьшаются габариты приемной антенны. When receiving signals from a ground-level radio marker on the spacecraft, the channel’s power is provided by a ground-based transmitter; in addition, no complex signals are required. Passive receiver does not violate the requirements of the EMC, simplifies the "binding" of the receiver chronizer in time and ephemeris, the characteristics of received signals can be transmitted through official communication channels. In addition, when limiting the frequency range more than the cutoff frequency of the signal by the ionosphere, the dimensions of the receiving antenna are reduced.

Техническим результатом заявленного способа является повышение рентабельности и оперативности мониторинга ионосферы и тропосферы. The technical result of the claimed method is to increase the profitability and efficiency of monitoring of the ionosphere and troposphere.

Радиосигналы радиомаркера представляют собой промодулированную кодом несущую частоту. В коде предусмотрены служебные метки, метки индекса радиомаркера, дополнительные данные с выхода приемовычислителя радиомаркера. Сигналы синхронизованы по времени на разнесенных дискретных частотах. По разности времени поступления связанных с хронизатором служебных меток, которые могут быть связаны с индексом радиомаркера, рассчитывается кодовая и фазовая задержки принятых сигналов, используемых в дальнейших расчетах состояния ионосферы и тропосферы. Возможна схема передачи индекса радиомаркера на одной частоте, а на другой дополнительных данных с выхода приемовычислителя радиомаркера. Radiomark radio signals are code modulated carrier frequency. The code provides for service tags, radio marker index labels, additional data from the output of the radio marker's calculator. Signals are synchronized in time at separated discrete frequencies. From the difference in arrival time associated with the chroniser service marks, which may be associated with the index of the radio marker, the code and phase delays of received signals used in further calculations of the state of the ionosphere and troposphere are calculated. It is possible to transfer the index of a radio marker on one frequency, and on the other additional data from the output of the radio marker's calculator.

Излучение сигналов радиомаркера ориентировано в верхнюю полусферу или в конус в ней, в соответствии с результатами расчета характеристик излучения и типа антенны. The radiation of the radiomark signals is oriented to the upper hemisphere or to the cone in it, in accordance with the results of the calculation of the radiation characteristics and the type of antenna.

Попадание приемника КА в конус излучения радиомаркера является необходимым условием для зондирования тропосферы и ионосферы. Географическая привязка радиомаяка при современном сервисе ГНСС не представляет сложности. При этом, наличие встроенного в радиомаркер приемника сигналов ГНСС позволяет реализовать функции, заявленные в прототипе, а рассчитанное время прихода принятых через антенны сигналов ГНСС передается через контроллеры в систему хранения данных радиомаркера и передачи данных на КА. The penetration of the spacecraft receiver into the radiomark radiation cone is a necessary condition for the probing of the troposphere and ionosphere. The geographical binding of the beacon with modern GNSS service is not difficult. At the same time, the presence of a GNSS signal built into the radio marker of the receiver allows the functions declared in the prototype to be implemented, and the calculated arrival time of the GNSS signals received via the antennas is transmitted through controllers to the radio marker data storage system and data transmission to the spacecraft.

Бортовой приемовычислитель КА (приемник) рассчитывает время прихода принятых через антенны и синхронизованных по времени излучения сигналов радиомаркеров, и через контроллеры передает задержки принятых сигналов в бортовую систему хранения и передачи данных. Передаваемые с КА данные принимаются в наземных пунктах приема и обработки информации или через геостационарные КА и используются для подготовки специализированных информационных продуктов. Положение КА относительно радиомаяка рассчитывается на основе моделей движения, либо по данным специализированной рассылки. The onboard spacecraft QA (receiver) calculates the arrival time of radiomark signals received via antennas and time synchronized radiation, and transmits delays of received signals through controllers to the onboard data storage and transmission system. The data transmitted from spacecraft are received at ground information receiving and processing centers or via geostationary spacecraft and are used to prepare specialized information products. The position of the spacecraft relative to the beacon is calculated on the basis of motion models, or according to the data of the specialized distribution.

Предлагаемый способ существенно упрощает обработку данных, так как передаваемые данные содержат идентификатор радиомаркера и время задержки сигнала в установленное время, а при использовании в радиомаркере встроенного приемника сигналов ГНСС возможна передача данных о состоянии ионосферы и тропосферы. По сравнению с объемом обычной телеграммы ГНСС, используемой в прототипе, экономия в объеме передаваемой и обрабатываемой информации может достичь двух порядков. The proposed method greatly simplifies data processing, since the transmitted data contains the identifier of the radio marker and the signal delay time at a set time, and when using the built-in GNSS receiver in the radio marker, data on the state of the ionosphere and troposphere can be transmitted. Compared to the volume of a conventional GNSS telegram used in the prototype, the savings in the amount of information transmitted and processed can reach two orders of magnitude.

Полученная информация легко интегрируется в существующую систему мониторинга ионосферы. А в случае использования автономных радиомаркеров позволяет расширить территорию зондирования над океанами и труднодоступными районами Земли. The information obtained is easily integrated into the existing ionospheric monitoring system. And in the case of using autonomous radiomarkers, it can expand the territory of sounding over the oceans and hard-to-reach areas of the Earth.

Бортовой приемник сигналов радиомаркера на КА должен быть настроен на прием основных рабочих частот радиомаркера и обеспечиваться питанием от бортовой сети или автономного источника. Сигналы радиомаркеров принимаются антенными устройствами, усиливаются, фильтруются и поступают на электронную плату приемника, где сигналы усиливаются, фильтруются и преобразуются в цифровой код. Приемник сигналов радиомаркера обеспечивает автоматическое непрерывное в реальном масштабе времени определение и выдачу оценок задержки принятых сигналов в установленном формате, возможность накопления данных и их передачу по выделенным линиям в бортовую систему передачи данных. The on-board receiver of radiomark signals on the spacecraft must be configured to receive the main operating frequencies of the radiomark and be powered by an onboard network or an autonomous source. Radiomarker signals are received by antenna devices, amplified, filtered, and fed to the receiver's electronic board, where signals are amplified, filtered, and converted into a digital code. The receiver of the radiomark signals provides automatic continuous real-time determination and issuance of delay estimates of received signals in the established format, the possibility of accumulating data and transmitting them via dedicated lines to the on-board data transfer system.

Пример расчета энергетического потенциала канала связи Pv при ОТИЗ для орбит высотой от 10 до 40 тыс км представлен на фиг. 2 [6]. An example of the calculation of the energy potential of the communication channel Pv during the fire protection system for orbits with a height of 10 to 40 thousand km is shown in FIG. 2 [6].

Расчеты подтверждают превышение сигнала над помехой до 6-10 дБ для расстояний между приемником и радиомаркером превышающих 40 000 км. Но для реализации этой схемы требуется значительная мощность излучения импульсов. Например, в декаметровом (HF) диапазоне - до 10 - 20 кВт в импульсе. Это критично для ЭМС КА. Поэтому для снижения мощности источника излучения используются частоты в сотни и тысячи МГц. Calculations confirm that the signal exceeds the interference up to 6-10 dB for distances between the receiver and the radio marker exceeding 40,000 km. But for the implementation of this scheme requires a significant power of radiation pulses. For example, in the decameter (HF) range - up to 10 - 20 kW per pulse. This is critical for the EMC KA. Therefore, to reduce the power of the radiation source, frequencies of hundreds and thousands of MHz are used.

Реалии используемой в предлагаемом способе основной схемы зондирования «снизу-вверх» на КА могут подтвердить результаты давних экспериментов по зондированию ионосферы с КА «Интеркосмос-19» по схеме «сверху-вниз». Но этот масштабный эксперимент больше не повторялся, в том числе из-за проблем с ЭМС (доказано при попытке установки ионозонда на МКС) и высоких энергозатрат. The realities of the basic “bottom-up” sounding method on spacecraft used in the proposed method can be confirmed by the results of long-standing experiments on sounding the ionosphere with the spacecraft Intercosmos-19 according to the top-down scheme. But this large-scale experiment was no longer repeated, including due to problems with EMC (proven when attempting to install an ionosonde on the ISS) and high energy costs.

Тенденцию использования ГГц диапазона для снижения мощности источника излучения подтверждают расчеты характеристик связи, представленные на фиг. 3 для мощности наземного излучения в 1 Вт и частот 250 Мгц (для характеристик, близких к требованиям ретранслятора КА типа "Гонец"), 1000, 1500 и 2500 МГц (для условий телеметрии). The trend of using the GHz band to reduce the power of the radiation source is confirmed by the calculations of the coupling characteristics presented in FIG. 3 for ground-based power of 1 W and frequencies of 250 MHz (for characteristics close to the requirements of the Gonets spacecraft repeater), 1000, 1500 and 2500 MHz (for telemetry conditions).

Предполагается модуляция кодово-импульсная модуляция на основе фазовой модуляции с полосой излучения 20 кГц, коэффициентом шума приемника 2,5 дБ. Потери в атмосфере, включая ионосферу, - 0,01-0,1 дБ. В расчетах использовано предположение об антеннах - диполях с 2 дБ потерей излучения и 3 дБ по поляризации, и спирально-конических антенн с усилением 12 дБ и потерями на поляризацию 0 дБ. Modulation of pulse code modulation based on phase modulation with a 20 kHz emission band and a receiver noise figure of 2.5 dB is assumed. Losses in the atmosphere, including the ionosphere - 0.01-0.1 dB. The calculations used the assumption of antennas - dipoles with 2 dB radiation loss and 3 dB of polarization, and spiral-conical antennas with a gain of 12 dB and a polarization loss of 0 dB.

Таким образом, даже с простейшими антеннами и мощностью передатчика приземного радиомаркера в 1 Вт возможна связь с КА на выбранных частотах примерно до высоты 1000 км. Необходимый запас по энергетике канала около 20 дБ получается при улучшенных антеннах. Но это дороже. Thus, even with the simplest antennas and the transmitter power of a 1 W surface radio marker, it is possible to communicate with the spacecraft at selected frequencies up to an altitude of 1000 km. The necessary margin for channel power is about 20 dB obtained with improved antennas. But it is more expensive.

Многочастотное радиопросвечивание ионосферы позволяет почти полностью нивелировать ионосферную ошибку и получить оценку тропосферной задержки зондируемых сигналов, не зависящей от их частоты. Задержка радиосигнала, связанная с прохождением через тропосферный слой, может быть определена по формуле [1]: Multi-frequency radio-sounding of the ionosphere makes it possible to almost completely level out the ionospheric error and to obtain an estimate of the tropospheric delay of the probed signals, independent of their frequency. The delay of the radio signal associated with the passage through the tropospheric layer can be determined by the formula [1]:

Figure 00000005
Lтр=
Figure 00000006
, (6)
Figure 00000005
L tr =
Figure 00000006
, (6)

где

Figure 00000005
Lтр - пространственная или наклонная задержка сигнала в тропосфере, м, Where
Figure 00000005
L mp - spatial or oblique signal delay in the troposphere, m,

L - расстояние до спутника, м, L - distance to the satellite, m,

l - путь вдоль траектории радиолуча в тропосфере, м, l - path along the path of the radio beam in the troposphere, m,

nТр - показатель преломления радиоволн в тропосфере (3). n Tr is the refractive index of radio waves in the troposphere (3).

Для расчета показателя преломления радиоволн в тропосфере используются метеоданные, справочные модели атмосферы. Обычно определяется осредненный nТр показатель преломления радиоволн у земной поверхности, который используется при оценке суммарной поправки тропосферной рефракции. На основе рассчитанных значений производится расчет характеристик тропосферной рефракции сигналов радиомаркера для коррекции полученных оценок ПЭС в ионосфере. To calculate the refractive index of radio waves in the troposphere, weather data and atmospheric reference models are used. Usually, the averaged n Tp is the refractive index of radio waves at the earth's surface, which is used when estimating the total correction of tropospheric refraction. Based on the calculated values, the characteristics of the tropospheric refraction of the radiomark signals are calculated to correct the obtained TEC estimates in the ionosphere.

В расчетах обычно используют аддитивное представление плотности воздуха из плотности его сухой части и плотности водяного пара (ρ=ρсп): In the calculations, an additive representation of the density of air from the density of its dry part and the density of water vapor (ρ = ρ с + ρ p ) is usually used:

nТр=1+K1ρс+K2Rпρп+K3Rпρп /T, (7)n Tr = 1 + K 1 ρ with + K 2 R p ρ p + K 3 R p ρ p / T, (7)

где Rc = 287,0538, Дж/(кг К), Rп= 461,526, Дж/(кг К) - универсальные газовые постоянные сухого воздуха и пара, K1,2,3 - коэффициенты [1-3]. where R c = 287.0538, J / (kg K), R p = 461.526, J / (kg K) are universal gas constants of dry air and steam, K 1,2,3 are coefficients [1-3].

«Сухая» часть тропосферной задержки составляет около 90% от полной тропосферной задержки «Влажная» часть зависит от свойств воздушной массы и ее влагосодержания. «Сухая» часть тропосферной задержки достаточно точно определяется по метеоданным, данным радиозондирования аэрологических станций вблизи приемника, а также с использованием гидростатического закона (dP=ρсgdz) убывания давления (Р) с высотой. В расчетах могут использоватся модели стандартных атмосфер, например в расчетах ослабления радиосигналов в атмосферных газах на трассах Земля-космос. Модели давления, температуры и влажности используются в случаях, когда надежные данные измерений отсутствуют. The “dry” part of the tropospheric delay is about 90% of the total tropospheric delay. The “wet” part depends on the properties of the air mass and its moisture content. The “dry” part of the tropospheric delay is quite accurately determined by weather data, radio sounding data of upper-air stations near the receiver, as well as using the hydrostatic law (dP = ρ with gdz) of decreasing pressure (P) with height. Models of standard atmospheres can be used in calculations, for example, in calculations of the attenuation of radio signals in atmospheric gases on Earth-to-space routes. Pressure, temperature and humidity models are used in cases where reliable measurement data are not available.

В тропосфере [2, 7, 8]: In the troposphere [2, 7, 8]:

Figure 00000005
Lтр = ZTD m(α) + (Gn cos(A) + Ge sin(A)) mG(α), (8)
Figure 00000005
L mp = ZTD m (α) + ( G n cos (A) + G e sin (A)) m G (α), ( 8)

где ZTD - зенитная тропосферная задержка [м], Gn и Ge - северный и восточный градиентные параметры [м], m и mG - картирующие функции, A и α - азимут и зенитный угол спутника. where ZTD is the zenith tropospheric delay [m], G n and G e are the north and east gradient parameters [m], m and m G are the mapping functions, A and α are the azimuth and satellite zenith angle.

Гидростатическая часть задержки (ZHD) часто определяется с помощью аналитических моделей, среди которых активно используется модель Саастамойнена [9]: The hydrostatic part of the delay (ZHD) is often determined using analytical models, among which the Saastamoinen model is actively used [9]:

Figure 00000007
, (9)
Figure 00000007
, (9)

где K1 = 77.60, К/гПа в (3); Rd = 287 Дж⋅кг-1⋅К-1 - удельная газовая постоянная сухого воздуха; Ps - приземное давление на станции, гПа; g0 = 9.784 м/с2 - ускорение свободного падения в центре масс атмосферного столба на экваторе; B и H - широта (град) и высота (км) станции. where K 1 = 77.60, K / hPa in (3); R d = 287 J⋅kg -1 ⋅K -1 - specific gas constant of dry air; P s - surface pressure at the station, hPa; g 0 = 9.784 m / s 2 - acceleration of free fall in the center of mass of the atmospheric column at the equator; B and H - latitude (hail) and altitude (km) of the station.

Разность между зенитной тропосферной задержкой и гидростатической компонентой позволяет определить влажную составляющую ZWD зенитной тропосферной задержки, которая пересчитывается в интегральное содержание влаги в столбе атмосферы (IWV, мм) [10-12]:The difference between the zenith tropospheric delay and the hydrostatic component allows determining the wet component ZWD of the zenith tropospheric delay, which is converted into an integral moisture content in the atmospheric column (IWV, mm) [10-12]:

Figure 00000008
, (10)
Figure 00000008
, (ten)

где ρw = 1000 кг/м3 - плотность жидкой воды; Rw = 461.5 Дж⋅кг-1⋅K-1 - удельная газовая постоянная водяного пара; K2 = 71.2952 К/гПа, K3 = 375463 K2/гПа; Tm - средневзвешенная по упругости водяного пара температура атмосферного столба (0, К). Последняя определяется с помощью регрессионного выражения с данными приземной температуры Ts (0, К) [13]: where ρ w = 1000 kg / m 3 is the density of liquid water; R w = 461.5 J⋅kg -1 ⋅K -1 is the specific gas constant of water vapor; K 2 = 71.2952 K / hPa, K 3 = 375463 K 2 / hPa; T m is the temperature of atmospheric column ( 0 , K) weighted by the elasticity of water vapor. The latter is determined using a regression expression with data of the surface temperature T s ( 0 , K) [13]:

Тm=50,4+0,789Ts. (11)T m = 50.4 + 0.789T s . (eleven)

Оценка точности полученных таким образом оценок ZTD для ряда районов, основанная на СКО остаточных разностей, составляет около 1.5 мм. С учетом точности моделей для ZHD и Tm, точность IWV оценивается примерно в 0.55 мм осажденной воды [14]. The estimated accuracy of the ZTD estimates obtained in this way for a number of areas, based on the MSE of residual differences, is about 1.5 mm. Taking into account the accuracy of the models for ZHD and T m , the accuracy of IWV is estimated to be approximately 0.55 mm of precipitated water [14].

Для проверки алгоритма расчета и полученных оценок IWV использовались эксперименты в Нальчике [14] (преимущественно для сильных ливневых осадков) и эксперименты в Казахстане в районе космодрома Байконур. Для проверки полученных результатов использовалось сравнение с данными об интегральном содержании водяного пара NCEP/NCAR Национального Управления Океанических и Атмосферных Исследований (NOAA, США) и ERA-Interim Европейского Центра Среднесрочного Прогнозирования. При этом выполнялась линейная интерполяция значений IWV от четырех ближайших к Байконуру узлов сетки.To verify the calculation algorithm and the obtained IWV estimates, experiments were used in Nalchik [14] (mainly for heavy rainfall) and experiments in Kazakhstan in the area of the Baikonur cosmodrome. To verify the obtained results, a comparison was made with the data on the integral content of water vapor NCEP / NCAR of the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA, USA) and the ERA-Interim European Center for Medium-Term Prediction. In this case, linear interpolation of the IWV values from the four grid nodes closest to Baikonur was performed.

На фиг. 4 представлен пример результатов расчета для 3-6.12.2010 г. Другие эксперименты показали аналогичное завышение оценок интегрального влагосодержания в столбе атмосферы по данным зарубежных центров, но это известный факт [15]. Геомагнитная обстановка в указанных временных отрезках была спокойной. Солнечных вспышек не было. FIG. 4 shows an example of calculation results for 3-6.12.2010. Other experiments have shown a similar overestimation of the integral moisture content in the atmospheric column according to foreign centers, but this is a known fact [15]. The geomagnetic situation in the indicated time intervals was calm. Solar flares were not.

Кроме того, данные зарубежных центров не удовлетворяют требованиям Всемирной Метеорологической Организации к точности определения IWV (10%) [16]. А используемое программное обеспечение [12-14] требует доработки для подвижного варианта зондирования. In addition, the data of foreign centers do not meet the requirements of the World Meteorological Organization for the accuracy of determining IWV (10%) [16]. And the software used [12-14] needs some work for the mobile sensing version.

При решении обратной задачи зондирования можно по данным о характеристиках сигналов ГНСС получать профили распределения влажности по высоте и по пространству, например на основе ГОСТ 26352-84 (с уточнениями 2017 г.), определяющим модель влажности в Северном полушарии Земли. Модель влажности в ГОСТ 26352-84 представлена от уровня моря до высоты 10 км по нескольким характеристикам. Характеристики влажности воздуха, принятые в стандарте, соответствуют международному стандарту ИСО5878/Д-2. Для расчетов в южном полушарии Земли необходимо формировать адаптивные модели профиля влажности, использовать известные модели, например известную модель А.Х. Хргиана с экспоненциальным уменьшением влажности с высотой в тропосфере. Подобные модели позволяют сформировать начальное приближение при итерационном подборе соответствия полученного в расчетах значения IWV и интеграла влагосодержания по модели ГОСТ 26352-84. Это задача центров приема и анализа данных зондирования ионосферы и тропосферы. When solving the inverse problem of probing, it is possible to obtain humidity distribution profiles for height and space using data on the characteristics of GNSS signals, for example, based on GOST 26352-84 (with 2017 clarifications), which determine the model of humidity in the Northern Hemisphere. The humidity model in GOST 26352-84 is presented from sea level to an altitude of 10 km according to several characteristics. The humidity characteristics of the standard comply with the international standard ISO5878 / D-2. For calculations in the southern hemisphere of the Earth, it is necessary to form adaptive models of the humidity profile, use known models, for example, the well-known model A.Kh. Hrgiana with an exponential decrease in humidity with height in the troposphere. Such models make it possible to form an initial approximation for an iterative selection of the conformity of the IWV value obtained in the calculations and the integral of moisture content according to the GOST 26352-84 model. This is the task of receiving and analyzing centers for sounding the ionosphere and the troposphere.

Для восстановления профиля изменения по высоте n(h) по серии измерений задержек сигнала формируют систему уравнений: To restore the profile changes in height n (h) for a series of measurements of the signal delays form a system of equations:

X

Figure 00000009
A=Y, (12)X
Figure 00000009
A = Y, (12)

где Y - матрица результатов измерений задержек сигнала по траектории радиолуча в тропосфере c элементами

Figure 00000010
L, where Y is the matrix of measurements of signal delays along the path of the radio beam in the troposphere with elements
Figure 00000010
L,

Х - матрица показателя преломления в тропосфере с элементами (ni-1) по слоям (обычно используется приближение сферической симметрии слоев), X is the matrix of the refractive index in the troposphere with elements (n i-1 ) in layers (the approximation of the spherical symmetry of the layers is usually used),

А - оператор прямой задачи или матрица преобразования (ядро уравнения, например, в виде фильтра Калмана [17]), с элементами: A is the operator of the direct problem or the transformation matrix (the kernel of the equation, for example, in the form of a Kalman filter [17]), with the elements:

aij=

Figure 00000010
ziwi/
Figure 00000011
, (13)a ij =
Figure 00000010
z i w i /
Figure 00000011
, (13)

где wi - квадратурные веса на i-м уровне, where w i - quadrature weights on the i-th level,

R - радиус Земли, м,R is the radius of the Earth, m,

Figure 00000012
- угол места приемника на КА; м;
Figure 00000012
- elevation angle of the receiver on the spacecraft; m;

n0 - обобщенный показатель преломления радиоволн по всей трассе и у земной поверхности.n 0 is the generalized refractive index of radio waves along the entire route and at the earth's surface.

Элементы (13) могут рассчитываться с помощью метода сопряженных градиентов или с помощью построения уравнения авторегрессии. При этом решается обратная некорректная задача атмосферной рефракции, которая имеет приближенное решение на основе математического аппарата решения интегральных уравнений Фредгольма первого рода [17, 18] и нахождения конечномерного вектора, минимизирующего функционал: Elements (13) can be calculated using the method of conjugate gradients or by constructing an autoregression equation. In this case, the inverse ill-posed problem of atmospheric refraction is solved, which has an approximate solution on the basis of the mathematical apparatus for solving Fredholm integral equations of the first kind [17, 18] and finding a finite-dimensional vector that minimizes the functional:

Figure 00000013
, (14)
Figure 00000013
, (14)

где

Figure 00000014
- искомая совокупность приближения оператора и функции некоторого приближения
Figure 00000015
Figure 00000016
по некоторой трассе наблюдаемого КА с приемником сигналов радиомаркеров. Where
Figure 00000014
- the desired set of approximations of the operator and functions of some approximation
Figure 00000015
Figure 00000016
along some route of the observed spacecraft with a receiver of radiomark signals.

Искомая совокупность

Figure 00000017
должна при минимизации погрешности δ обеспечивать лучшее приближение к точному решению задачи:
Figure 00000018
. Sought set
Figure 00000017
when minimizing the error δ, should provide a better approximation to the exact solution of the problem:
Figure 00000018
.

Из восстановленного профиля n(h) может быть рассчитан вертикальный профиль влажности воздуха и вертикальный профиль плотности воздуха с использованием предположения политропной модели атмосферы, где температура с высотой убывает по линейному закону, а атмосферное давление убывает по барометрическому закону. From the restored n (h) profile, the vertical air humidity profile and the vertical air density profile can be calculated using the assumption of a polytropic model of the atmosphere, where the temperature decreases with a linear law and the atmospheric pressure decreases according to a barometric law.

При решении обратной задачи определения искомого вектора X (профиля показателя преломления n(h)) по данным задержки радиосигналов может применяться метод статистической регуляризации. При этом решение получается также в результате итерационного процесса: When solving the inverse problem of determining the desired vector X (profile of the refractive index n (h)) according to the data of the radio signal delay, the statistical regularization method can be used. The solution is also obtained as a result of the iterative process:

xs=xb + [AT

Figure 00000019
A+
Figure 00000020
]-1AT
Figure 00000019
[(y-ys-1)-А(xb -xs-1)], (15)x s = x b + [A T
Figure 00000019
A +
Figure 00000020
] -1 A T
Figure 00000019
[(yy s-1 ) -A (x b -x s-1 )], (15)

где xb - начальное приближение вектора Х, where x b - the initial approximation of the vector X,

Ку - матрица ошибок измерений значений

Figure 00000010
L, Ку =
Figure 00000021
I, I - единичная матрица,
Figure 00000022
- дисперсия ошибок измерений
Figure 00000023
Lтр, K y - the matrix of measurement error values
Figure 00000010
L, K y =
Figure 00000021
I, I is the identity matrix,
Figure 00000022
- dispersion of measurement errors
Figure 00000023
L tr ,

s - номер итерации, s is the iteration number,

Rx - матрица значений межуровенной корреляции (стабилизации) показателя преломления радиоволн: R x - matrix of values of inter-level correlation (stabilization) of the refractive index of radio waves:

Rx =

Figure 00000024
RТ +
Figure 00000025
RР +
Figure 00000026
Rе , (16)R x =
Figure 00000024
R T +
Figure 00000025
R P +
Figure 00000026
R e , (16)

где RТ, RР, Rе - матрицы ковариации полей температуры, атмосферного давления и влажности воздуха [18]. where R T , R P , R e are the covariance matrices of temperature, atmospheric pressure and air humidity [18].

Для начальных приближений при отсутствии аэрологических данных можно использовать профиль относительной влажности основе ГОСТ 26352-84 (с уточнениями 2017 г.). For the initial approximations in the absence of upper-air data, you can use the relative humidity profile based on GOST 26352-84 (with 2017 clarifications).

Точность решения обратной задачи зависит от качества задания корреляционных функций. The accuracy of solving the inverse problem depends on the quality of the assignment of the correlation functions.

Другой способ восстановления вертикальных профилей связан с использованием вариационного метода. При этом необходимо найти такой вектор X, при котором достигается минимум функции потерь как и в (14): Another way to restore vertical profiles is associated with the use of a variation method. At the same time, it is necessary to find such a vector X, at which the minimum of the loss function is reached as in (14):

Figure 00000010
(X)=0,5(X—Xb)T
Figure 00000027
(X—Xb)+0,5(Y—АX)T
Figure 00000019
(Y-АX), (17)
Figure 00000010
(X) = 0.5 (X — X b ) T
Figure 00000027
(X — X b ) +0.5 (Y — AX) T
Figure 00000019
(Y-Ax), (17)

где Х - оценка вектора профиля состояния атмосферы [19]. where X is the estimate of the state profile of the atmosphere [19].

Для реализации этого метода также необходим большой архив реально наблюдавшихся вертикальных профилей показателя преломления. To implement this method, a large archive of actually observed vertical refractive index profiles is also required.

По восстановленному вертикальному профилю показателя преломления можно восстановить профиль влажности, например, задав вертикальный профиль температуры воздуха. Вертикальное распределение атмосферного давления может быть получено из предположения о гидростатическом профиле плотности воздуха. Эти вопросы не рассматривались в [20]. The restored vertical profile of the refractive index can restore the humidity profile, for example, by setting the vertical air temperature profile. The vertical distribution of atmospheric pressure can be obtained from the assumption of a hydrostatic air density profile. These questions were not considered in [20].

Ряд продолжительных наблюдений за характеристиками сигналов радиомаркеров и полученные при этом оценки ПЭС, скорректированные на ошибки тропосферной рефракции, могут использоваться для восстановления вертикальных профилей электронной концентрации в ионосфере (nе(h)) на основе решения обратной некорректной задачи атмосферной рефракции. Набор вертикальных профилей может быть интерполирован в вертикальный разрез зондируемых характеристик ионосферы и тропосферы. A series of long-term observations of the characteristics of radiomark signals and the resulting TEC estimates, corrected for tropospheric refraction errors, can be used to restore the vertical electron concentration profiles in the ionosphere (n e (h)) based on solving the inverse ill-posed problem of atmospheric refraction. A set of vertical profiles can be interpolated into a vertical section of the probed characteristics of the ionosphere and troposphere.

Основой технологии решения обратной задачи радиопросвечивания в предлагаемом способе выбрано решение задачи нахождения конечномерного вектора, минимизирующего функционал: The solution of the problem of finding a finite-dimensional vector that minimizes the functional is chosen as the basis of the technology for solving the inverse problem of radio echoing:

Figure 00000028
, (18)
Figure 00000028
, (18)

где

Figure 00000029
- искомая совокупность приближения оператора и функции некоторого Where
Figure 00000029
- the desired set of approximations of the operator and functions of some

приближения

Figure 00000030
Figure 00000016
по трассе
Figure 00000031
для наблюдаемого приемника на КА, погрешностью δ и условием:
Figure 00000032
. approximations
Figure 00000030
Figure 00000016
on the highway
Figure 00000031
for the observed receiver on the spacecraft, the error δ and the condition:
Figure 00000032
.

Начальное приближение профиля концентрации заряженных частиц задается из климатических моделей ионосферы, которые необходимо подстраивать под конкретный регион. В последующих приближениях реализуется итерационная процедура с использованием предыдущих профилей. При формировании начального приближения учитывается тропосферная задержка. В случае появления в расчетах некорректных результатов моделирования предусмотрена фильтрация результатов по предыдущим приближениям. Кроме того, производится осреднение рассчитанных профилей, что повышает устойчивость и надежность расчетов. Для повышения точности зондирования необходима региональная модель ионосферы на основе данных наблюдений. The initial approximation of the charged particle concentration profile is set from climate models of the ionosphere, which need to be adjusted for a specific region. In the subsequent approximations, an iterative procedure is implemented using previous profiles. When forming the initial approximation, the tropospheric delay is taken into account. If incorrect simulation results appear in the calculations, filtering of the results by previous approximations is provided. In addition, the calculated profiles are averaged, which increases the stability and reliability of the calculations. To improve the accuracy of sensing, a regional model of the ionosphere is needed based on observational data.

Программное обеспечение для реализации предложенного способа целесообразно выполнить серверных приложений и коммуникационной сети на основе Интернет-связи, оптоволокна, линий радиосвязи. Программный комплекс для восстановления профилей электронной концентрации в ионосфере по сигналам радиомаркеров и характеристик тропосферной задержки должен включает блоки тематических программ для: Software for the implementation of the proposed method, it is advisable to perform server applications and communication networks based on Internet communication, fiber, radio links. The software package for restoring the electron concentration profiles in the ionosphere from radiomark signals and tropospheric delay characteristics should include thematic program blocks for:

1. Управления и планирования приемом сигналов; 1. Management and planning of signal reception;

2. Идентификации и контроля полноты кодовых последовательностей в принимаемых сигналах; 2. Identification and control of the completeness of code sequences in the received signals;

3. Оценки характеристик принятых сигналов; 3. Evaluation of the characteristics of received signals;

4. Расчета полной электронной концентрации в ионосфере и поля распределения полного электронного содержания в ионосфере; 4. Calculation of the total electron concentration in the ionosphere and the field of distribution of the total electron content in the ionosphere;

5. Расчета поля распределения интегрального влагосодержания в столбе атмосферы; 5. Calculation of the field of distribution of the integral moisture content in the atmospheric column;

6. Формирования матрицы начальных и модельных приближений профиля концентрации заряженных частиц в ионосфере, вертикального профиля влажности воздуха и вертикального профиля плотности воздуха в тропосфере над пунктом зондирования на основе региональной модели атмосферы; 6. Formation of a matrix of initial and model approximations of the concentration profile of charged particles in the ionosphere, the vertical air humidity profile and the vertical air density profile in the troposphere above the sensing point based on a regional atmospheric model;

7. Формирования региональных моделей ионосферных и тропосферных характеристик и ведения архивов; 7. Formation of regional models of ionospheric and tropospheric characteristics and archives;

8. Расчета профилей влажности и плотности в тропосфере; 8. Calculation of profiles of humidity and density in the troposphere;

9. Построения и анализа графиков и карт; 9. Construction and analysis of graphs and maps;

10. Диагностики аномалий в контролируемых характеристиках; 10. Diagnostics of anomalies in controlled characteristics;

11. Вывода на устройство отображения результатов зондирования ионосферы и тропосферы. 11. Output to the display device of the results of the sounding of the ionosphere and troposphere.

Упрощенный алгоритм радиопросвечивания ионосферы и тропосферы заключается в том, что сигналы радиомаркера принимаются с помощью антенного устройства на КА, включающего одну или несколько антенн. КА могут быть оснащены также приемниками сигналов ГНСС. На выходе антенн принятые сигналы радиомаркера и от КА ГНСС усиливаются, фильтруются, преобразуются в цифровой код и представляются в установленном формате для последующей обработки. Сравнивается значение отношения сигнал/шум с пороговым значением, если оно меньше заданного, то через установленное время задержки происходит переключение приемных антенн в режим ожидания нового задания. Для бортовых приемников управление антеннами может реализовываться по командам через станцию приема-передачи спутниковых данных или автоматически по принятому сигналу радиомаркера. Принятые сигналы идентифицируются по времени поступления, кодовых индексов и частоте. Эта информация передается на наземные пункты приема и обработки информации, где производится фильтрация видимых КА с приемниками по их положению над горизонтом и относительно зенита, производится расчет эффектов тропосферной рефракции, и оценок ПЭС, профилей концентрации заряженных частиц в ионосфере с последующими процедурами фильтрации, осреднения, архивации и картированием результатов. A simplified algorithm for the radio sounding of the ionosphere and troposphere is that the radio marker signals are received using an antenna device on a spacecraft that includes one or more antennas. The spacecraft can also be equipped with GNSS signal receivers. At the antenna output, the received signals of the radio marker and from the GNSS satellite are amplified, filtered, converted into a digital code and presented in the established format for further processing. The signal-to-noise ratio value is compared with the threshold value; if it is less than the specified one, then after a set delay time, the receiving antennas are switched to the standby mode of the new task. For airborne receivers, antenna control can be implemented by commands via a satellite data receiving / receiving station or automatically by a received radio marker signal. Received signals are identified by arrival time, code indices, and frequency. This information is transmitted to ground information receiving and processing points, where visible spacecraft with receivers are filtered by their position above the horizon and relative to the zenith, the effects of tropospheric refraction are calculated, and PES estimates, charged particle concentration profiles in the ionosphere, followed by filtering, averaging, archiving and mapping results.

В наземных пунктах приема и обработки информации в режиме реального времени производится формирование массивов измерений для восстановления оценок ПЭС, профилей концентрации заряженных частиц в ионосфере и характеристик тропосферной задержки сигналов радиомаркеров. Для начального приближения восстанавливаемых профилей при решении обратной задачи моделирования используются данные моделей ионосферы, тропосферы с оперативной коррекцией по результатам метеорологических и аэрологических наблюдений, результаты предыдущих расчетов, профили, полученные при радиопросвечивании атмосферы наземными и космическими ионозондами. После проведения итерационных приближений и проверки полученных результатов на соответствие заданным погрешностям, производится фильтрация, осреднение, представление, In terrestrial data receiving and processing points, measurement arrays are formed in real time to restore PES estimates, charged particle concentration profiles in the ionosphere, and the characteristics of the tropospheric delay of radio marker signals. For the initial approximation of the reconstructed profiles in solving the inverse problem of modeling, data from the ionosphere model, the troposphere with operational correction based on the results of meteorological and upper-air observations, the results of previous calculations, and profiles obtained during radio sounding of the atmosphere with terrestrial and cosmic ionosonds are used. After conducting iterative approximations and checking the obtained results for compliance with specified errors, filtering, averaging, representation,

архивация и картирование полученных результатов, а также анализ выбросов, трендов, в том числе по координатам приемных антенн. archiving and mapping of the results, as well as analysis of emissions, trends, including coordinates of receiving antennas.

При дополнительной установке в радиомаркере приемовычислителя сигналов ГНСС на не менее двух частотах реализуется схема зондирования ионосферы и тропосферы по используемому прототипу с передачей полученных данных в структуре радиосигналов на КА. With the additional installation of a GNSS signal transmitter in the radio marker at at least two frequencies, the sounding circuit of the ionosphere and troposphere is used according to the prototype used with the transmission of the received data in the structure of radio signals to the spacecraft.

Установка приемников сигналов ГНСС на КА в предлагаемой схеме зондирования позволяет зондировать характеристики внешней ионосферы и осуществлять радиозатменное зондирование атмосферы при наличии антенного комплекса с ориентацией антенн на горизонт. The installation of GNSS signal receivers on the spacecraft in the proposed sensing scheme makes it possible to probe the characteristics of the external ionosphere and to perform radio occultation sounding of the atmosphere in the presence of an antenna complex with antenna orientation to the horizon.

Предлагаемый способ может быть реализован в подвижном или в стационарном варианте в отношении радиомаркера. The proposed method can be implemented in a mobile or in a stationary variant with respect to a radio marker.

Перечень чертежейList of drawings

Фиг. 1. Схема зондирования: 1 - КА с приемниками, 2 - радиомаркеры, 3 - пункты приема и обработки информации, 4 - ионосфера, 5 - КА ГНСС и геостационарные КА. FIG. 1. Sounding scheme: 1 - spacecraft with receivers, 2 - radio markers, 3 - information receiving and processing points, 4 - ionosphere, 5 - GNSS spacecraft and geostationary spacecraft.

Фиг. 2. Изменение энергетического потенциала канала связи Pv при ОТИЗ для орбит высотой от 10 до 40 тыс км. Красная линия - для частоты 5 МГц, зеленая - для частоты 10 МГц, синяя - для частоты 15 МГц, голубая - для частоты 20 МГц, пунктирной кривой показан уровень помех от радиовещательного передатчика 21 метрового диапазона мощностью 50 кВт на высотах КА.FIG. 2. The change in the energy potential of the communication channel Pv at the otis for the orbits in height from 10 to 40 thousand km. The red line is for the frequency of 5 MHz, the green line is for the frequency of 10 MHz, the blue line is for the frequency of 15 MHz, the blue line is for the frequency of 20 MHz, the dotted curve shows the level of interference from the broadcast transmitter of 21 meter range with a power of 50 kW at spacecraft altitudes.

Фиг. 3 Оценки энергетического канала связи для двух типов антенн на Земле на орбите КА для сигналов приземного радиомаркера с мощностью излучения в 1 Вт. Ось абсцисс - удаление (км), ордината - соотношение Сигнал/ Шум (дБ). (о) - частота 250 МГц, (+) - 1000 МГц, (х) - 1500 МГц, (--) - 2500 МГц. FIG. 3 Estimates of the energy communication channel for two types of antennas on the Earth in spacecraft orbit for signals of a surface radio marker with radiation power of 1 W. The abscissa axis is the removal (km), the ordinate is the Signal / Noise ratio (dB). (o) - frequency 250 MHz, (+) - 1000 MHz, (x) - 1500 MHz, (-) - 2500 MHz.

Левый фрагмент для усиления антенн на Земле и на борту 12 дБ (направленная спираль), потерь в фидерах - 1 дБ, поляризационных потерь - 0 дБ: The left fragment for the antenna gain on the Earth and on board is 12 dB (directional spiral), the losses in the feeders are 1 dB, the polarization losses are 0 dB:

Правый фрагмент для усиления антенн на Земле и на борту 2,1 дБ (направленный диполь), потерь в фидерах - 1 дБ, поляризационных потерь - 3 дБ.The right-hand fragment for antenna gain on the ground and on board is 2.1 dB (directional dipole), feeder losses 1 dB, polarization losses 3 dB.

Фиг. 4 Результаты расчета интегрального влагосодержания в столбе атмосферы по сигналам ГНСС и по данным из зарубежных архивов. FIG. 4 Results of the calculation of the integral moisture content in the atmospheric column using GNSS signals and data from foreign archives.

Список литературы:Bibliography:

1. Тертышников А.В., Пулинец С.А. Способ зондирования ионосферы, тропосферы, геодвижений и комплекс для его реализации / Патент, заявка №2011128236 от 07.07.2011 на получение патента РФ на изобретение. Бюллетень Изобретения. 2013, № 4. Решение о выдаче патента РФ на изобретение от 01.02.20131. Tertyshnikov A.V., Pulinets S.A. The method of sounding the ionosphere, the troposphere, geo-movements and the complex for its implementation / Patent application no. 2011128236 dated 07/07/2011 for obtaining a patent of the Russian Federation for an invention. Bulletin of Invention. 2013, No. 4. Decision on granting a patent of the Russian Federation for an invention of February 1, 2013

2. Афрамович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. - Иркутск: ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, 2006. 480 с. 2. Aframovich E.L., Perevalova N.P. GPS monitoring of the Earth’s upper atmosphere. - Irkutsk: GU NTS RVH VSNTS SB RAMS, 2006. 480 p.

3. Чукин В.В., Алдошкина Е.С., Вахнин А.В. и др. Мониторинг интегрального содержания водяного пара в атмосфере ГНСС-сигналами // Ученые записки РГГМУ. 2010. №12. С. 51-60. 3. Chukin V.V., Aldoshkina E.S., Vakhnin A.V. et al. Monitoring the integral content of water vapor in the atmosphere using GNSS signals // Uchenye zapiski RSGMU. 2010. 12. Pp. 51-60.

4. Крашенинников И.В. Анализ типов зондирующих сигналов в задаче ионосферного зондирования и критерии эффективности использования космических систем для проведения трансионосферного мониторинга в Арктике.//Гелиогеофизические исследования, Выпуск 14, 2016, с. 53-62.4. Krasheninnikov I.V. Analysis of the types of probing signals in the problem of ionospheric sounding and criteria for the efficiency of using space systems for conducting trans-ionospheric monitoring in the Arctic. // Heliogeophysical studies, Issue 14, 2016, p. 53-62.

5. Полтавский О.С. Методы обеспечения КВ-трасс информацией о состоянии ионосферы. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03 - Радиофизика, Ростов-на-Дону. 2009.5. Poltava O.S. Methods of providing HF routes with information on the state of the ionosphere. Abstract of dissertation for the degree of Candidate of Physical and Mathematical Sciences in the specialty 04/01/03 - Radio Physics, Rostov-on-Don. 2009

6. Ivanov I.I. Ionospheric monitoring in the Arctic at reverse transionospheric sounding // Conference Proceedings - 2017 Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves, RSEMW 2017. Publisher: IEEE, 9 November 2017. Article number  8103582. pp. 118-120. DOI: 10.1109/RSEMW.2017.8103582. 6. Ivanov I.I. Ionospheric monitoring in the Arctic at reverse transionospheric sounding // Conference Proceedings - 2017 Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves, RSEMW 2017. Publisher: IEEE, 9 November 2017. Article number 8103582. pp. 118-120. DOI: 10.1109 / RSEMW.2017.8103582.

7. Niell A.E. Global mapping functions for the atmosphere delay at radio wavelengths, J. Geophys. Res.-Sol. Ea., 1996, 101, P. 3227-3246. 7. Niell A.E. Delayed radio wavelengths, J. Geophys. Res.-Sol. Ea., 1996, 101, p. 3227-3246.

8. Bevis M., Businger, S., Chiswell, S., Herring, T.A., Anthes, R.A., Rocken, C., Ware, R.H. GPS meteorology: mapping zenith wet delays onto precipitable water, J. Appl. Meteorol., 1994, 33, 379-386. 8. Bevis, M., Businger, S., Chiswell, S., Herring, T.A., Anthes, R.A., Rocken, C., Ware, R.H. GPS meteorology: mapping zenith wet delays onto precipitable water, J. Appl. Meteorol., 1994, 33, 379-386.

9. Saastamioinen J. Contributions to then theory atmospheric refraction. Part II. Refraction corrections in satellite Geodesy, B. Geod., 1973, 107, P. 13-34. 9. Saastamioinen J. Contributions to then theory of atmospheric refraction. Part II. Refraction corrections in satellite Geodesy, B. Geod., 1973, 107, P. 13-34.

10. Askne J. and Nordius H. Estimation of tropospheric delay for microwaves from surface weather data, Radio Sci., 1987, 22, 379-386. 10. Askne J. and Nordius H. Estimation of tropospheric delay for microwaves from surface weather data, Radio Sci., 1987, 22, 379-386.

11. Kalinnikov, V.V., Khutorova, O.G., Teptin, G.M. Influence nonuniformity of the atmospheric water vapor field on the phase measurements of radio signals from global navigation satellite systems, Radiophysics and Quantum Electronics, 2013, Vol. 56, №2, P. 96-103. 11. Kalinnikov, V.V., Khutorova, O.G., Teptin, G.M. Global Radiophysics and Quantum Electronics, 2013, Vol. 56, No. 2, P. 96-103.

12. Kalinnikov, V.V., Khutorova, O.G. Diurnal variations in integrated water vapor derived from a GPS ground network in the Volga-Ural region of Russia, Ann. Geophys., 2017, Vol. 35, P. 453-464. 12. Kalinnikov, V.V., Khutorova, O.G. Diurnal variations in the water circuit of the Volga-Ural region of Russia, Ann. Geophys., 2017, Vol. 35, p. 453-464.

13. Mendes V.B. Modeling the neutral-atmospheric propagation delay in radiometric space techniques, Tech. Report № 199. - New Brunswick, Canada, 1999, 353 p. 13. Mendes V.B. Modeling the neutral-atmospheric propagation delay in radiometric space techniques, Tech. Report No. 199. - New Brunswick, Canada, 1999, 353 p.

14. Тертышников, А.В., Калинников В.В., Удриш В.В. Возможности использования станции приема сигналов ГНСС ФГБУ «ВГИ» в Нальчике для мониторинга интегрального содержания водяного пара в атмосфере/ Доклады Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, Нальчик, ВГИ, 23-27 октября 2017 г. - Нальчик, ВГИ, 2017. С. 225-228. 14. Tertyshnikov, A.V., Kalinnikov V.V., Udrish V.V. Possibilities of using the GNSS signal receiving station of the FGI "VGI" in Nalchik for monitoring the integral content of water vapor in the atmosphere / Reports of the All-Russian Conference on Cloud Physics and Active Impacts on Hydrometeorological Processes, Nalchik, VGI, October 23-27, 2017 - Nalchik, VGI, 2017. pp. 225-228.

15. Солдатенко С.А., Тертышников А.В., Ширшов Н.В. Технология оценивания влияния данных ДЗЗ на качество численных прогнозов погоды// гелиогеофизические исследования. 2014. вып. 10. С. 106 - 112. 15. Soldatenko S.A., Tertyshnikov A.V., Shirshov N.V. Technology for assessing the impact of remote sensing data on the quality of numerical weather forecasts // heliogeophysical studies. 2014. vol. 10. pp. 106 - 112.

16. Guide to meteorological instruments and methods of observation. - Geneva, 2008, 681 p. 16. Guide to meteorological instruments and methods of observation. - Geneva, 2008, 681 p.

17. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. - М.: Наука, 1986. 17. Tikhonov A.N., Arsenin V.Ya. Methods for solving incorrect problems. - M .: Science, 1986.

18. Обрезкова И.В. Использование межуровенных корреляционных связей метеорологических полей для уточнения расчетов содержания водяного пара в атмосфере // Успехи современного естествознания. 2010. №8. С. 9-10. 18. Obrezkova I.V. The use of interlevel correlations of meteorological fields to refine the calculations of the water vapor content in the atmosphere // Successes of Modern Science. 2010. 8. Pp. 9-10.

19. Eresmaa R. Exploiting ground-based measurements of the global positioning system for 19. Eresmaa R. Exploiting ground-based measurements of the global positioning system for

20. numerical weather prediction // Finnish Meteorological Institute Contribution. 2007. № 61. 140 p.20. numerical weather prediction // Finnish Meteorological Institute Contribution. 2007. No. 61. 140 p.

21. Азизов А.А., Гайкович К.П., Кашкаров С.С., Черняева М.Б. Использование сигналов навигационных ИСЗ для определения параметров атмосферы // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1998. Т.41, №9. C. 1093-1116.21. Azizov A.A., Gaikovich K.P., Kashkarov S.S., Chernyaeva M.B. Using signals of navigation aerial satellites for determining atmospheric parameters // Izvestiya VUZ. Radio Physics. 1998. T.41, No. 9. C. 1093-1116.

Claims (2)

1. Способ зондирования ионосферы и тропосферы, заключающийся в излучении в ионосферу и тропосферу зондирующих радиосигналов, синхронизированных по времени на не менее двух частотах, приеме радиосигналов через антенное устройство, анализе изменения фазовых, частотных и временных характеристик принятых сигналов, используемых для расчета параметров ионосферной плазмы, расчете тропосферной задержки принятых сигналов и ее преобразовании через аналитические модели в прогнозные профили атмосферных характеристик с начальными приближениями по метеоданным, климатическим и аналитическим моделям атмосферы, отличающийся тем, что источник радиосигналов расположен на поверхности Земли, океана, льда или в атмосфере Земли, прием радиосигналов осуществляется через антенны на космических аппаратах, в структуре радиосигналов содержится идентификационный индекс, связанный с координатами источника сигналов, расчет интегрального влагосодержания атмосферы осуществляется по оценкам тропосферной задержки принятых сигналов с использованием аналитических, климатических и регрессионных моделей.1. The method of sounding the ionosphere and troposphere, consisting in radiation into the ionosphere and troposphere of sounding radio signals synchronized in time at at least two frequencies, receiving radio signals through an antenna device, analyzing changes in phase, frequency and temporal characteristics of received signals used to calculate the parameters of the ionospheric plasma , the calculation of the tropospheric delay of the received signals and its transformation through analytical models into predictive profiles of atmospheric characteristics with initial approximations and weather, climate and analytical atmospheric models, characterized in that the radio source is located on the surface of the Earth, ocean, ice, or in the Earth’s atmosphere; radio signals are received through antennas on spacecraft; the radio signal contains an identification index associated with the coordinates of the signal source , the calculation of the integral moisture content of the atmosphere is carried out according to the estimated tropospheric delay of received signals using analytical, climatic and regression these models. 2. Способ зондирования ионосферы и тропосферы по п. 1, отличающийся тем, что с источником радиосигналов скоммутирован приемовычислитель сигналов на не менее двух частотах каждой из используемых ГНСС с передачей полученных данных в структуре радиосигналов на КА, бортовые многочастотные навигационные приемники сигналов ГНСС которых используются для зондирования внешней ионосферы.2. A method of sounding the ionosphere and troposphere according to claim 1, characterized in that the signal source is connected to at least two frequencies of each of the used GNSS signals with a radio source and transmitted data in the structure of radio signals to spacecraft whose onboard multi-frequency navigation receivers of the GNSS signals are used for sounding the outer ionosphere.
RU2018127892A 2018-07-30 2018-07-30 Method for probing the ionosphere and troposphere RU2693842C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018127892A RU2693842C1 (en) 2018-07-30 2018-07-30 Method for probing the ionosphere and troposphere

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018127892A RU2693842C1 (en) 2018-07-30 2018-07-30 Method for probing the ionosphere and troposphere

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2693842C1 true RU2693842C1 (en) 2019-07-05

Family

ID=67252123

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018127892A RU2693842C1 (en) 2018-07-30 2018-07-30 Method for probing the ionosphere and troposphere

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2693842C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110631567A (en) * 2019-10-09 2019-12-31 北京航空航天大学 Inversion and correction method for atmospheric refraction error of differential sky polarization compass

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5867411A (en) * 1996-12-19 1999-02-02 The Aerospace Corporation Kalman filter ionospheric delay estimator
US6061013A (en) * 1995-12-26 2000-05-09 Thomson-Csf Method for determining the precipitation ratio by double polarization radar and meteorological radar for implementing such process
RU2313103C1 (en) * 2006-06-08 2007-12-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Красноярский государственный технический университет (КГТУ) Method for single-frequency determination of delay of satellite navigation system signals in ionosphere
RU93995U1 (en) * 2010-02-19 2010-05-10 Владимир Михайлович Смирнов HARDWARE-SOFTWARE COMPLEX OF IONOSPHERIC MONITORING
RU2403592C1 (en) * 2009-03-30 2010-11-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ставропольский военный институт связи ракетных войск" Министерства обороны Российской Федерации Method of determining values of intensity of ionosphere irregularities from vertical probing data
RU2502080C2 (en) * 2011-07-07 2013-12-20 Александр Васильевич Тертышников Method of probing ionosphere, troposphere, geologic movements and set for implementing said method
US20150192670A1 (en) * 2014-01-08 2015-07-09 Electronics And Telecommunications Research Institute Method and apparatus for extracting ionospheric trace

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6061013A (en) * 1995-12-26 2000-05-09 Thomson-Csf Method for determining the precipitation ratio by double polarization radar and meteorological radar for implementing such process
US5867411A (en) * 1996-12-19 1999-02-02 The Aerospace Corporation Kalman filter ionospheric delay estimator
RU2313103C1 (en) * 2006-06-08 2007-12-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Красноярский государственный технический университет (КГТУ) Method for single-frequency determination of delay of satellite navigation system signals in ionosphere
RU2403592C1 (en) * 2009-03-30 2010-11-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ставропольский военный институт связи ракетных войск" Министерства обороны Российской Федерации Method of determining values of intensity of ionosphere irregularities from vertical probing data
RU93995U1 (en) * 2010-02-19 2010-05-10 Владимир Михайлович Смирнов HARDWARE-SOFTWARE COMPLEX OF IONOSPHERIC MONITORING
RU2502080C2 (en) * 2011-07-07 2013-12-20 Александр Васильевич Тертышников Method of probing ionosphere, troposphere, geologic movements and set for implementing said method
US20150192670A1 (en) * 2014-01-08 2015-07-09 Electronics And Telecommunications Research Institute Method and apparatus for extracting ionospheric trace

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110631567A (en) * 2019-10-09 2019-12-31 北京航空航天大学 Inversion and correction method for atmospheric refraction error of differential sky polarization compass

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Clarizia et al. Spaceborne GNSS-R minimum variance wind speed estimator
Martín-Neira et al. The PARIS ocean altimeter in-orbit demonstrator
Ning et al. Multi-technique comparisons of 10 years of wet delay estimates on the west coast of Sweden
Brenot et al. Preliminary signs of the initiation of deep convection by GNSS
US20170343485A1 (en) Retrieval of p-band soil reflectivity from signals of opportunity
Sun et al. The FengYun-3C radio occultation sounder GNOS: a review of the mission and its early results and science applications
RU2502080C2 (en) Method of probing ionosphere, troposphere, geologic movements and set for implementing said method
CN113253233B (en) Analysis processing method and system based on all-sky meteor radar signals
Yuan et al. High-resolution ITU-R cloud attenuation model for satellite communications in tropical region
Tsai et al. Three-dimensional numerical ray tracing on a phenomenological ionospheric model
GB2450407A (en) Means for determining atmospheric information for weather prediction from global positioning system (GPS) signals
RU2693842C1 (en) Method for probing the ionosphere and troposphere
Altshuler Tropospheric range-error corrections for the global positioning system
Wang et al. GNOS—Radio occultation sounder on board of Chinese FY3 satellites
Narayanan et al. Tropospheric Delays for Ground-to-Air Radio Links
Shrestha Investigations into the estimation of tropospheric delay and wet refractivity using GPS measurements
Braun et al. Development of a water vapor tomography system using low cost L1 GPS receivers
David et al. A hypothesis of 3D rainfall tomography using satellite signals
Kalinnikov et al. Determination of troposphere characteristics using signals of satellite navigation systems
Schaer GNSS ionosphere analysis at CODE
Camps et al. Review of GNSS-R instruments and tools developed at the Universitat Politecnica de Catalunya-Barcelona tech
Yamamoto et al. Doppler velocity measurement of portable X-band weather radar equipped with magnetron transmitter and IF digital receiver
Fu et al. An evaluation of GNSS radio occultation technology for Australian meteorology
Lewis et al. A new method of retrieving atmospheric refractivity structure
Ghosh et al. Forest Vegetation Optical Depth Mapping Using GNSS Signals at SMAPVEX’22