RU2604696C2 - Способ пассивного определения параметров ионосферы - Google Patents

Способ пассивного определения параметров ионосферы Download PDF

Info

Publication number
RU2604696C2
RU2604696C2 RU2015110181/28A RU2015110181A RU2604696C2 RU 2604696 C2 RU2604696 C2 RU 2604696C2 RU 2015110181/28 A RU2015110181/28 A RU 2015110181/28A RU 2015110181 A RU2015110181 A RU 2015110181A RU 2604696 C2 RU2604696 C2 RU 2604696C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
values
ionosphere
tec
data
spacecraft
Prior art date
Application number
RU2015110181/28A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2015110181A (ru
Inventor
Клим Андреевич Сидоренко
Алена Андреевна Васенина
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Омский научно-исследовательский институт приборостроения" (ОАО "ОНИИП")
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 Открытое акционерное общество "Омский научно-исследовательский институт приборостроения" (ОАО "ОНИИП") filed Critical Открытое акционерное общество "Омский научно-исследовательский институт приборостроения" (ОАО "ОНИИП")
Priority to RU2015110181/28A priority Critical patent/RU2604696C2/ru
Publication of RU2015110181A publication Critical patent/RU2015110181A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2604696C2 publication Critical patent/RU2604696C2/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO 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
    • G01S13/00—Systems 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
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/95—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for meteorological use
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

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

Abstract

Изобретение относится к области физики ионосферы и может быть использовано для пассивного определения ионосферных параметров. Сущность: выполняют двухчастотный прием спутниковых сигналов ГЛОНАСС/GPS. Измеряют циклы фаз спутниковых радиосигналов, псевдодальности по коду до космических аппаратов (КА) и координаты КА. Записывают полученные данные в буферные запоминающие устройства (БЗУ). Вычисляют в каждый момент времени значения набора полного электронного содержания (ПЭС) для видимых КА с учетом вычитания значений постоянного смещения ПЭС IFB для каждого КА, хранящихся в запоминающем устройстве. Одновременно определяют координаты точки пересечения направления на КА с максимумом слоя F2. Полученные и рассчитанные данные отправляют в устройство формирования сканирующей сетки. В устройстве формирования сканирующей сетки с использованием выбранной модели ионосферы вычисляют значения ПЭС для каждого КА с учетом полученных координат для заданных вариантов интенсивности солнечного радиоизлучения на волне 10,7 см (
Figure 00000007
). В устройстве сглаживания данных на основе получаемых значений ПЭС и рассчитанных ранее значений ПЭС, хранящихся в базах БЗУ, определяют сглаженные значения ПЭС. Используя значения ПЭС, полученные с использованием данных ГЛОНАСС/GPS, и значения, полученные с использованием выбранной модели ионосферы, формируют корреляционные матрицы данных и составляют функционал. Минимизируя данный функционал, определяют скорректированное значение
Figure 00000008
. Используя полученное значение
Figure 00000007
и выбранную модель ионосферы, формируют распределение электронной концентрации в требуемой области. При этом информацию о необходимых географических координатах получают с запоминающего устройства. Технический результат: расширение области действия и повышение быстродействия определения параметров ионосферы при приеме электромагнитных сигналов от нескольких спутников в условиях априорной неопределенности относительно шумов и помех. 4 ил.

Description

Изобретение относится к геофизике и радиотехнике, а именно применяется в процессе мониторинга состояния ионосферы с определением ее параметров при помощи навигационных спутников. Решение задачи определения параметров ионосферы позволяет рассчитать максимально-применимые частоты коротковолновых радиотрасс.
Известны способы для решения задач пассивного определения параметров ионосферы - применение полуэмпирических моделей ионосферы, радиопросвечивание с использованием спутниковых сигналов и комбинирование этих двух способов.
Известен способ определения параметров ионосферы [1], заключающийся в использовании приема двух частот от спутников ГЛОНАСС/GPS. Восстановление профиля электронной концентрации ионосферы производится путем решения обратной задачи по Тихонову. Среди недостатков данного способа следует отметить низкую точность и скорость расчета. Обусловлено это тем, что метод решения обратной задачи по Тихонову очень чувствителен к любым ошибкам измерений, и расчет в предлагаемом способе осуществляется только с участием оператора, что приводит к значительному увеличению общего времени определения параметров ионосферы. Также к недостатку рассматриваемого способа можно отнести восстановление профиля в ограниченной области действия при углах места (50…80 градусов), что неприемлемо для решения многих практических задач, например прогноз характеристик KB радиолиний.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ определения электронной концентрации ионосферы [2], включающий в себя прием радиосигналов от навигационных спутников на двух когерентных частотах F1 и F2, определение по принятым радиосигналам разности псевдодальностей ΔD12, расчет полной электронной концентрации Le вдоль трассы «спутник-наземный пункт». Определение высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) в области измерения осуществляют путем применения итерационной процедуры решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов и априорной информации о фоновом состоянии ионосферы.
Недостатком способа-прототипа является ограничение области восстановления профиля электронной концентрации ионосферы зоной видимости навигационных спутников, что может быть недостаточно при расчете траекторий распространения КВ радиоволн. Также следует отметить, что объекты, находящиеся в области расположения приемной антенны, также уменьшают зону видимости космических аппаратов (особенно актуально в городских условиях), что понижает возможности данного способа. Вторым недостатком является необходимость проведения итерационной процедуры расчета для каждой искомой точки, что при большом количестве точек сильно уменьшит быстродействие. Указанные недостатки, очевидно, ограничивают возможность применения способа при определении параметров ионосферы.
Задача изобретения - расширение области действия и повышение быстродействия определения параметров ионосферы при приеме электромагнитных сигналов от нескольких спутников, в условиях априорной неопределенности относительно шумов и помех.
Поставленная задача достигается тем, что в способе пассивного определения параметров ионосферы с помощью двухчастотного приема сигналов GPS/ГЛОНАСС измеряют циклы фаз спутниковых радиосигналов, псевдодальности по коду до космических аппаратов (КА) и координаты КА, полученные данные записывают в буферные запоминающие устройства (БЗУ), при этом в начале работы проводят первичную обработку данных, заключающуюся в вычислении в каждый момент времени значений набора полного электронного содержания (ПЭС) для видимых КА (ПЭСК и ПЭСФ), с учетом вычитания значений постоянного смещения ПЭС IFB для каждого КА, хранящихся в запоминающем устройстве (ЗУ), одновременно определяют координаты точки пересечения направления на КА с максимумом слоя F2 и отправляют их в устройство формирования сканирующей сетки, где вычисляют, с использованием выбранной модели, значения ПЭС для каждого КА с учетом полученных координат для заданных вариантов интенсивности солнечного радиоизлучения на волне 10,7 см (F10.7) и в устройстве сглаживания данных, на основе получаемых значений ПЭС и рассчитанных ранее значений ПЭС, хранящихся в БЗУ, определяют сглаженные значения ПЭС, далее, используя значения ПЭС, полученные с использования данных ГЛОНАСС/GPS, и значения, полученные с использованием выбранной модели ионосферы, формируют корреляционные матрицы данных и составляют функционал, минимизируя который, определяют скорректированное значение F10.7 и, используя полученное значение и выбранную модель ионосферы, формируют распределение электронной концентрации в требуемой области, причем информацию о необходимых географических координатах получают с ЗУ.
Достигаемый технический результат - расширение области действия определения параметров ионосферы достигается за счет адаптации модели ионосферы с использованием данных, полученных при помощи навигационных спутниковых систем; повышение быстродействия определения параметров ионосферы достигается за счет сведения многомерной оптимизации к минимизации функционала специального вида, позволяющего проводить автоматическую коррекцию модели по параметру интенсивности солнечной активности.
Перечень фигур
Фиг. 1 Представлена схема устройства.
Фиг. 2 Представлена схема эксперимента.
Фиг. 3 Представлены зависимости полного электронного содержания от времени суток для способов, использующих значения F10.7 и данные ионозонда, и предлагаемого способа для Томска.
Фиг. 4 Представлены зависимости полного электронного содержания от времени суток для способов, использующих значения F10.7 и данные ионозонда, и предлагаемого способа для Подкаменной Тунгуски.
Устройство, реализующее предложенный способ, содержит (фиг. 1) антенну ГЛОНАСС/GPS 1, двухчастотное радиоприемное устройство (РПУ) ГЛОНАСС/GPS 2, буферные запоминающие устройства (БЗУ) 3.1, 3.2, устройство первичной обработки данных 4, запоминающие устройства (ЗУ) 5.1, 5.2, устройство сглаживания данных 6, устройство формирования сканирующей сетки 7, решающее устройство 8, устройство моделирования ионосферы 9, отображающее устройство 10.
Выход антенны ГЛОНАСС/GPS 1, подключен к входу двухчастотного радиоприемного устройства 2 и через его выход - к входу буферного запоминающего устройства 3.1, выход которого соединен с входом устройства первичной обработки данных 4. Выход ЗУ 5.1 соединен с входом устройства первичной обработки данных 4. Выходы устройства первичной обработки данных 4 соединены с входом устройства сглаживания данных 6, входом устройства формирования сканирующей сетки 7 и входом буферного запоминающего устройства 3.2, выход которого соединен с входом устройства сглаживания данных 6. Выходы устройства сглаживания данных 6 и устройства формирования сканирующей сетки 7 подключены к входу решающего устройства 8, выход которого соединен с входом устройства моделирования ионосферы 9. Выход ЗУ 5.2 соединен с устройством моделирования ионосферы 9, выход которого подключен к входу отображающего устройства 10.
Антенна ГЛОНАСС/GPS 1 обеспечивает прием спутниковых сигналов, может быть выполнена, например, в виде спиральной антенны.
Двухчастотное радиоприемное устройство ГЛОНАСС/GPS 2 может быть выполнено с применением цифровой элементной базы, например, по схемам, приведенным в [1, 2]. Обеспечивает синхронное измерение циклов фаз принятых на выходе антенны 1 спутниковых радиосигналов, псевдодальностей по коду до космических аппаратов (КА) и координат КА в текущий момент времени.
Буферное запоминающее устройство 3.1 обеспечивает регистрацию данных, полученных с двухчастотного радиоприемного устройства ГЛОНАСС/GPS на время последующей обработки.
Буферное запоминающее устройство 3.2 обеспечивает накопление сглаженных значений полного электронного содержания (ПЭС) для каждого КА.
Устройство первичной обработки входных данных 4 определяет количество доступных КА, координаты точки пересечения направления на КА с максимумом слоя F2 и реализует функцию определения ПЭС по формуле [3]:
Figure 00000001
где R - радиус Земли, h - высота ионосферы, ПЭСН - наклонное значение ПЭС, определяемое для фазовых (ф) и кодовых измерений (к) по формулам:
Figure 00000002
Figure 00000003
где fL1, fL2 - частоты КА, pL1, pL2 - псевдодальности по коду, измеренные РПУ для каждой частоты, фL1, фL2 - псевдодальности, измеренные по количеству циклов фазы, IFB - значения смещения ПЭС для каждого КА.
Запоминающее устройство 5.1 обеспечивает хранение значений смещения ПЭС для каждого КА [3], полученных в результате калибровки устройства.
Запоминающее устройство 5.2 обеспечивает хранение значений географических координат, для которых необходимо рассчитать параметры ионосферы.
Устройство сглаживания данных 6 реализует функцию сглаживания полученных значений ПЭС для каждого КА в i-й момент времени по формуле:
Figure 00000004
где wm, wn - весовые коэффициенты, связанные соотношением:
Figure 00000005
Устройство формирования сканирующей сетки 7 реализует функцию формирования значений ПЭС для каждого КА согласно используемой модели ионосферы (NeQuick, IRI-2014 и т.д.) с использованием набора значений интенсивности солнечного радиоизлучения на волне 10,7 см.
Решающее устройство 8 производит определение значения интенсивности солнечного радиоизлучения на волне 10,7 см (F10.7) в области видимости КА путем минимизации функционала, определяющего отклонение модели от реальных данных, например:
Figure 00000006
где R - корреляционная матрица данных значений ТЕС для видимых КА в установленный период времени, Rmodel(F10.7) - корреляционная матрица данных значений ТЕС, рассчитанных на основе используемой модели ионосферы в устройстве 7.
Устройство моделирования ионосферы 9 реализует функцию расчета высотного распределения электронной концентрации, согласно выбранной модели ионосферы (NeQuick, IRI-2012 и т.д.) в точках, записанных в ЗУ 5.2.
Отображающее устройство 10 реализует вывод данных о распределении электронной концентрации ионосферы в заданных точках.
Изобретение осуществляется следующим образом. Принимают радиосигналы с КА ГЛОНАСС/GPS на антенну 1 и посредством радиоприемного устройства 2 измеряют циклы фаз спутниковых радиосигналов, псевдодальности по коду до космических аппаратов и координаты КА. Полученные данные записывают в БЗУ 3.1.
В начале работы устройства проводят первичную обработку данных, заключающуюся в вычислении в каждый момент времени значений набора ПЭС для видимых КА (ПЭСК и ПЭСФ), с учетом вычитания значений постоянного смещения ПЭС IFB для каждого КА, хранящихся в ЗУ 5.1. Одновременно определяют координаты точки пересечения направления на КА с максимумом слоя F2 и отправляют их в устройство формирования сканирующей сетки в устройстве 7.
На втором этапе обработки в устройстве 7 вычисляют, с использованием выбранной модели, значения ПЭС для каждого КА с учетом полученных координат для заданных вариантов интенсивности солнечного радиоизлучения на волне 10,7 см (F10.7). В устройстве сглаживания данных, на основе получаемых значений ПЭС и рассчитанных ранее значений ПЭС, хранящихся в БЗУ 3.2, определяют сглаженные значения ПЭС.
На третьем этапе обработки, используя значения ПЭС, полученные с использованием данных ГЛОНАСС/GPS, и значения, полученные с использованием выбранной модели ионосферы, формируют корреляционные матрицы данных и составляют функционал, минимизируя который, определяют скорректированное значение F10.7. Далее, используя полученное значение и выбранную модель ионосферы, формируют распределение электронной концентрации в требуемой области, информацию о необходимых географических координатах получают с ЗУ 5.2. Информацию о распределении электронной концентрации в заданных точках выводят в отображающем устройстве 10.
Приведем пример реализации предлагаемого способа определения параметров ионосферы.
В окрестности г. Омска производился прием сигналов спутниковых навигационных систем GPS/ГЛОНАСС с использованием двухчастотного приемника фирмы NovAtel. После первичной обработки радиосигналов с помощью аналитической модели ионосферы NeQuick вычислялись значения ПЭС для каждого КА. Затем формировались корреляционные матрицы и составлялся функционал, по минимизации которого определялось скорректированное значение F10.7. Вычисленные значения использовались для определения параметра ионосферы в районах станций вертикального зондирования (ВЗ) Томск и Подкаменная Тунгуска. Схема проводимого эксперимента отображена на фиг. 2.
Для проверки заявленного способа проводился анализ результатов измерений путем сравнения значений ПЭС, полученных по скорректированным (предложенный способ) и измеренным (данные сайта http:/spaceweather.com) значениям F10.7, со значениями ПЭС, вычисленными по данным станций ВЗ: Томск (фиг. 3) и Подкаменная Тунгуска (фиг. 4). Определение среднего квадратичного отклонения (СКО) выявило, что при удалении от точки измерений ошибка предложенного способа возросла, но его выигрыш над способом без коррекции значений F10.7 остался прежним: 2,5 раза.
Источники информации
1. П. №2042129, G01S 13/95, опубликован 20.08.1995 г.
2. П. №2421753,G01S 13/95, опубликован 20.06.2011.
3. Zhang Y., Wu F., Kubo Ν., Yasuda Α. TEC Measurement By Single Dual-frequency GPS Receiver, Proceedings of the 2003 international Symposium on GPS/GNSS, November 2003.

Claims (1)

  1. Способ пассивного определения параметров ионосферы, включающий в себя двухчастотный прием спутниковых сигналов ГЛОНАСС/GPS, измерение циклов фаз спутниковых радиосигналов, псевдодальности по коду до космических аппаратов (КА) и координаты КА, запись полученных данных в буферные запоминающие устройства (БЗУ), первичную обработку данных, заключающуюся в вычислении в каждый момент времени значений набора полного электронного содержания (ПЭС) для видимых КА (ПЭСК и ПЭСФ) с учетом вычитания значений постоянного смещения ПЭС IFB для каждого КА, хранящихся в запоминающем устройстве (ЗУ), и одновременное определение координаты точки пересечения направления на КА с максимумом слоя F2, отличающийся тем, что полученные и рассчитанные данные отправляют в устройство формирования сканирующей сетки, где вычисляют с использованием выбранной модели ионосферы значения ПЭС для каждого КА с учетом полученных координат для заданных вариантов интенсивности солнечного радиоизлучения на волне 10,7 см (F10.7), и в устройстве сглаживания данных на основе получаемых значений ПЭС и рассчитанных ранее значений ПЭС, хранящихся в БЗУ, определяют сглаженные значения ПЭС, далее, используя значения ПЭС, полученные с использования данных ГЛОНАСС/GPS, и значения, полученные с использованием выбранной модели ионосферы, формируют корреляционные матрицы данных и составляют функционал, минимизируя который, определяют скорректированное значение F10.7, используя полученное значение и выбранную модель ионосферы, формируют распределение электронной концентрации в требуемой области, причем информацию о необходимых географических координатах получают с ЗУ.
RU2015110181/28A 2015-03-23 2015-03-23 Способ пассивного определения параметров ионосферы RU2604696C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015110181/28A RU2604696C2 (ru) 2015-03-23 2015-03-23 Способ пассивного определения параметров ионосферы

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015110181/28A RU2604696C2 (ru) 2015-03-23 2015-03-23 Способ пассивного определения параметров ионосферы

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015110181A RU2015110181A (ru) 2016-10-10
RU2604696C2 true RU2604696C2 (ru) 2016-12-10

Family

ID=57122213

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015110181/28A RU2604696C2 (ru) 2015-03-23 2015-03-23 Способ пассивного определения параметров ионосферы

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2604696C2 (ru)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2421753C1 (ru) * 2010-02-19 2011-06-20 Владимир Михайлович Смирнов Способ определения параметров ионосферы и устройство для его осуществления
RU2445562C2 (ru) * 2007-06-22 2012-03-20 Шмидт-Зегер ГмбХ Шахтная сушилка с системой воздухопроводных перекрытий

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2445562C2 (ru) * 2007-06-22 2012-03-20 Шмидт-Зегер ГмбХ Шахтная сушилка с системой воздухопроводных перекрытий
RU2421753C1 (ru) * 2010-02-19 2011-06-20 Владимир Михайлович Смирнов Способ определения параметров ионосферы и устройство для его осуществления

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
А.А.Васенина, К.А.Сидоренко. Адаптация ионосферной модели по данным глобальных навигационных спутниковых систем / Решетневские чтения, 2014, т.1, N18, стр.263, 264. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015110181A (ru) 2016-10-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3130943B1 (en) Navigation satellite system positioning involving the generation of tropospheric correction information
JP6545273B2 (ja) 測位衛星選択装置、測位情報発信装置および測位システム
RU2479855C2 (ru) Зависящее от расстояния уменьшение ошибки при определении местоположения в режиме кинематики реального времени
CN104102822B (zh) 一种多频gnss观测值随机特性建模方法
RU2615172C2 (ru) Адаптивный способ для оценки электронного содержания ионосферы
Moradi et al. The carrier-multipath observable: a new carrier-phase multipath mitigation technique
Zhang et al. Triple-frequency multi-GNSS reflectometry snow depth retrieval by using clustering and normalization algorithm to compensate terrain variation
Hastaoglu et al. Accuracy of GPS rapid static positioning: application to Koyulhisar landslide, central Turkey
Settimi et al. Testing the IONORT-ISP system: A comparison between synthesized and measured oblique ionograms
KR102496103B1 (ko) 전자 밀도 분포의 적응 모델을 결정하는 방법
Tomaštík et al. Practical applicability of processing static, short-observation-time raw GNSS measurements provided by a smartphone under tree vegetation
RU2529355C2 (ru) Способ определения пространственного распределения ионосферных неоднородностей
RU2421753C1 (ru) Способ определения параметров ионосферы и устройство для его осуществления
Krypiak-Gregorczyk et al. Validation of approximation techniques for local total electron content mapping
Zhang et al. Influence of the GLONASS inter-frequency bias on differential code bias estimation and ionospheric modeling
MacGougan et al. Accuracy and reliability of tightly coupled GPS/ultra-wideband positioning for surveying in urban environments
Park et al. Performance of ionospheric maps in support of long baseline GNSS kinematic positioning at low latitudes
Lu et al. An improved joint modeling method for multipath mitigation of GPS, BDS-3, and Galileo overlapping frequency signals in typical environments
Sedeek et al. Determination of zero difference GPS differential code biases for satellites and prominent receiver types
RU2604696C2 (ru) Способ пассивного определения параметров ионосферы
Elghazouly et al. Estimating satellite and receiver differential code bias using a relative Global Positioning System network
Garrido et al. A high spatio-temporal methodology for monitoring dunes morphology based on precise GPS-NRTK profiles: Test-case of Dune of Mónsul on the south-east Spanish coastline
JP2013068451A (ja) 位置算出方法及び位置算出装置
RU2333507C2 (ru) Способ для определения ионосферной ошибки дальностей по двухчастотным измерениям
CN115113234A (zh) 改进的电离层格网产品的生成方法、终端及可读存储介质

Legal Events

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

Effective date: 20200324