RU2713188C1 - Method for single-position determination of coordinates of sources of high-frequency radio waves during ionospheric propagation - Google Patents

Method for single-position determination of coordinates of sources of high-frequency radio waves during ionospheric propagation Download PDF

Info

Publication number
RU2713188C1
RU2713188C1 RU2019119626A RU2019119626A RU2713188C1 RU 2713188 C1 RU2713188 C1 RU 2713188C1 RU 2019119626 A RU2019119626 A RU 2019119626A RU 2019119626 A RU2019119626 A RU 2019119626A RU 2713188 C1 RU2713188 C1 RU 2713188C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ionosphere
model
radio
coordinates
iri
Prior art date
Application number
RU2019119626A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Николаевич Ражев
Александр Васильевич Кузмин
Сергей Викторович Кудинов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Технологии и системы радиомониторинга"
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 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Технологии и системы радиомониторинга" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Технологии и системы радиомониторинга"
Priority to RU2019119626A priority Critical patent/RU2713188C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2713188C1 publication Critical patent/RU2713188C1/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
    • G01S5/00Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/04Position of source determined by a plurality of spaced direction-finders

Landscapes

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

Abstract

FIELD: radio engineering; radio navigation.
SUBSTANCE: invention is intended for use in radio engineering, radio navigation, as well as in research of ionosphere parameters and increases accuracy of determining coordinates of HF sources from one position. Technical result of invention is achieved due to single target approach, which includes detection and reception on known frequency of multibeam signal by phased antenna array, measurement with required accuracy according to known algorithms of spatial angles of arrival (azimuth, elevation angle) of each mode of received signal and evaluation of their energy parameters, formation of ionosphere model, corrected based on current data of vertical, inclined probing, using data of satellite tomography and magnetometers, as well as a radiophysical model of medium propagation of radio waves of the HF range, solving direct and inverse problems arising in single-position positioning and correction of the ionosphere model.
EFFECT: technical result is higher accuracy of single-position location of radio-frequency source.
1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике, радионавигации, а также для использования при исследованиях параметров ионосферы и позволяет повысить точность определения координат источников радиоизлучений коротковолнового (KB) диапазона с одной позиции.The invention relates to radio engineering, radio navigation, as well as for use in researching the parameters of the ionosphere and improves the accuracy of determining the coordinates of the sources of radio waves of the short-wave (KB) range from one position.

Известен способ по одноточечному местоопределению источников радиоизлучения (ИРИ) после применения "кривых" передачи Смита местоопределения радиоизлучателей (Патент RU №2072524 С1, МПК G01S 3/02 - 27.01.1997). Алгоритм предусматривает измерение углов прихода ионосферной волны в вертикальной и горизонтальной плоскостях, получение параметров ионосферы методом вертикального зондирования (ВЗ), определение приращения медианных значений параметров ионосферы между радиопеленгаторным пунктом и районом отражения радиосигнала, расчет продольного и поперечного наклонов отражающего слоя ионосферы при использовании плоской модели ионосферы в районе отражения радиосигнала и уточнение параметров положения ИРИ, согласно рассчитанных поправок. Недостатком метода является то, что он не учитывает форму профиля электронной концентрации ионосферы. Коррекция по В3-линейная по параметрам без учета пространственно-временных корреляционных зависимостей и ошибок определения параметров методом ВЗ. Использование реперных ИРИ сводилось к коррекции продольных и поперечных градиентов наклона ионосферных параметров в области отражения радиоволны без учета различия частот реперных и пеленгуемых ИРИ.There is a method for single-point location of radio emission sources (IRI) after applying the "Smith" transmission of Smith to determine the location of radio emitters (Patent RU No. 2072524 C1, IPC G01S 3/02 - 01/27/1997). The algorithm provides for measuring the angles of arrival of the ionospheric wave in the vertical and horizontal planes, obtaining the ionosphere parameters by the method of vertical sounding (VZ), determining the increment of the median values of the ionosphere parameters between the direction-finding station and the area of reflection of the radio signal, calculating the longitudinal and transverse slopes of the reflecting layer of the ionosphere when using a flat model of the ionosphere in the area of reflection of the radio signal and the refinement of the position parameters of the IRI, according to the calculated amendments. The disadvantage of this method is that it does not take into account the shape of the profile of the electron concentration of the ionosphere. Correction according to B3 is linear in parameters without taking into account the spatio-temporal correlation dependences and errors in determining parameters by the WZ method. The use of reference IRI was reduced to correcting the longitudinal and transverse gradients of the slope of the ionospheric parameters in the region of reflection of the radio wave without taking into account the difference in the frequencies of the reference and direction finding IRI.

Известен способ однопунктовой дальнометрии источников электромагнитного излучения (Патент RU №2118836 С1, МПК G01S 13/95, G01S 5/02 - 10.09.1998). Способ основан на измерении принятого полезного сигнала, известным способом определяют задержку ионосферного отражения относительно сигнала земной волны, определяют опорную частоту сигнала, восстанавливают профиль электронной концентрации ионосферы с помощью сигналов фиксированной частоты импульсно-фазовых радиостанций с известными координатами. По полученному профилю электронных концентраций, опорной частоте сигнала и времени задержки ионосферного отражения, используя зависимость времени задержки ионосферного отражения от дальности до источника излучения, определяют величину дальности. Недостатком предложенного способа является его ограниченная пригодность в тех случаях, когда наблюдается одновременно сигналы поверхностных и пространственных волн, и ионосферная (пространственная) волна формируется модом Е (распространение волны при отражении только от слоя Е). Коррекция области Е линейная по сигналам реперных источников.A known method of single-point ranging of electromagnetic radiation sources (Patent RU No. 2118836 C1, IPC G01S 13/95, G01S 5/02 - 09/10/1998). The method is based on measuring the received useful signal, the ionospheric reflection delay relative to the earth wave signal is determined in a known manner, the reference frequency of the signal is determined, the profile of the electron concentration of the ionosphere is restored using fixed-frequency signals from pulse-phase radio stations with known coordinates. From the obtained profile of electron concentrations, the reference frequency of the signal and the delay time of the ionospheric reflection, using the dependence of the delay time of the ionospheric reflection from the distance to the radiation source, determine the range. The disadvantage of the proposed method is its limited suitability in those cases when signals of surface and spatial waves are simultaneously observed, and the ionospheric (spatial) wave is formed by mode E (wave propagation upon reflection only from layer E). Correction of area E is linear according to the signals of reference sources.

Метод по способу местоопределения источников радиоизлучения (Патент RU №2154281 С1, МПК G01S 3/02 - 10.08.2000, Бюл. №22) является развитием патента RU №2072524 и предусматривает параболическую аппроксимацию вместо линейной, а для расчета траекторий радиоволн применяет квазипараболическую модель ионосферного слоя. Недостатком метода является также как и для патента RU №2072524, низкая точность коррекции ионосферных данных, не учитываются пространственно-временные корреляционные зависимости и ошибки определения параметров методом ВЗ. Реперные источники не используются.The method according to the method of determining the sources of radio emission (Patent RU No. 2154281 C1, IPC G01S 3/02 - 08/10/2000, Bull. No. 22) is a development of patent RU No. 2072524 and provides for parabolic approximation instead of linear, and uses a quasiparabolic ionospheric model to calculate the trajectories of radio waves layer. The disadvantage of this method is the same as for patent RU No. 2072524, low accuracy of correction of ionospheric data, spatio-temporal correlation dependencies and errors in determining parameters by the VZ method are not taken into account. Reference sources are not used.

Традиционным методом определения координат источников радиоизлучений (ИРИ) является триангуляционный метод предполагающий наличие сети пеленгационных пунктов объединенных единой системой управления (Патент RU №2490661 С1, МПК G01S 1/08 - 20.08.2013, Бюл. №23). Он основан на одновременном использовании не менее 2-х КВ пеленгаторов. Для высокой точности местоопределения ИРИ необходим разнос между пунктами пеленгации в несколько сотен километров, что при прохождении радиоволн через ионосферу обуславливает различный характер трасс распространения радиоволн, имеющих свои ошибки измерения пеленга, вплоть до отсутствия приема радиосигнала, что приводит к затруднению и даже невозможности решения задачи определения координат ИРИ. Недостатком данного способа является возможность определения координат только группой из нескольких (минимум двух) пеленгаторов с обязательным наличием системы связи между ними.The traditional method for determining the coordinates of radio emission sources (IRI) is the triangulation method, which assumes the presence of a network of direction finding points united by a single control system (Patent RU No. 2490661 C1, IPC G01S 1/08 - 08/20/2013, Bull. No. 23). It is based on the simultaneous use of at least 2 HF direction finders. For high accuracy of IRI positioning, a separation of several hundred kilometers between the direction-finding points is necessary, which, when radio waves pass through the ionosphere, leads to a different nature of the propagation paths of radio waves having their own bearing measurement errors, up to the lack of radio signal reception, which makes it difficult and even impossible to solve the determination problem Iran coordinates. The disadvantage of this method is the ability to determine the coordinates only by a group of several (at least two) direction finders with the obligatory presence of a communication system between them.

Способ однопунктового местоопределения ИРИ (Патент RU №2523650 С2, МПК G01S 5/00 - 0.07.2014 Бюл. №20) заключается в моделировании модов распространения сигналов с сетки дальностей, определение по углам прихода модов фазового набега в антенных элементах (АЭ) круговой антенной решетки (АР). Далее эти фазовые набеги вычитаются из сигнала от АЭ, квадратично детектируются и усредняются по количеству АЭ АР. Пеленг и дальность до ИРИ определяется по минимуму результатов усреднения взвешенному пропорционально числу лучей. Предлагается использовать станцию ВЗ, которая определяет высоты и критические частоты ионосферных слоев или месячные прогнозы. Недостатком данного способа является ограниченная возможность применения, только для односкачковых трасс с углами места более 10 градусов, а также невозможность правильности оценки принимаемого сигнала, о том что он соответствует определенным условиям и как следствие низкая вероятность правильного местоопределения ИРИ.The method of single-point location of the IRI (Patent RU No. 2523650 C2, IPC G01S 5/00 - 07/07/2014 Bull. No. 20) consists in modeling the propagation modes of signals from a range grid, determining by the angles of arrival of the modes of phase incursion in antenna elements (AE) with a circular antenna lattice (AR). Further, these phase incursions are subtracted from the signal from the AE, quadratically detected and averaged over the number of AE ARs. Bearing and range to Iran is determined by the minimum averaging results weighted in proportion to the number of rays. It is proposed to use the VZ station, which determines the heights and critical frequencies of ionospheric layers or monthly forecasts. The disadvantage of this method is the limited possibility of application, only for single-jump routes with elevation angles of more than 10 degrees, as well as the impossibility of correctly evaluating the received signal that it meets certain conditions and, as a result, there is a low probability of correct location of the IRI.

Наиболее близким по физической и технической сущности к предлагаемому способу является способ однопозиционного местоопределения, включающий в себя прием на заданной частоте многолучевого сигнала передатчика решеткой антенн, синхронное преобразование ансамбля принятых антеннами сигналов в цифровые сигналы и их синхронную регистрацию на заданном временном интервале (Патент RU №2285934 С1, МПК G01S 5/04 - 20.10.2006, Бюл. №29). Согласно изобретению из цифровых сигналов выделяют сигналы отдельных лучей прихода сигнала передатчика и восстанавливают двумерные пеленги каждого луча по известным алгоритмам, формируют модель ионосферы, соответствующую частоте и временному интервалу приема сигнала, и модельные сигналы обратного излучения в измеренных направлениях прихода лучей, определяют траектории обратного многоскачкового распространения модельных сигналов и находят координаты точек их прихода на поверхность Земли, которые идентифицируют как координаты предполагаемых точек излучения сигнала передатчика, находят совпадение полученных точек, совпавшие точки объединяют и находят точку, координаты которой идентифицируют как координаты передатчика. В предложенном способе используется модель IRI-2001 в сочетании с лучевыми расчетами в трехмерно-неоднородной ионосфере. Указывается на возможность коррекции модели IRI-2001 по данным ВЗ и НЗ ионосферы.The closest in physical and technical nature to the proposed method is a one-position location method, which includes receiving at a given frequency a multipath transmitter signal by an array of antennas, synchronously converting an ensemble of signals received by antennas into digital signals and registering them synchronously at a given time interval (Patent RU No. 2285934 C1, IPC G01S 5/04 - 10/20/2006, Bull. No. 29). According to the invention, signals from individual arrival beams of the transmitter signal are extracted from digital signals and two-dimensional bearings of each beam are restored according to well-known algorithms, a model of the ionosphere corresponding to the frequency and time interval of reception of the signal is formed, and model feedback signals in the measured directions of arrival of the rays are determined, the paths of the reverse multi-hop propagation model signals and find the coordinates of the points of their arrival on the Earth’s surface, which are identified as the coordinates of of the assumed emission points of the transmitter signal, find the match of the received points, coincide the points combine and find the point whose coordinates are identified as the coordinates of the transmitter. The proposed method uses the IRI-2001 model in combination with radiation calculations in a three-dimensionally inhomogeneous ionosphere. The possibility of correction of the IRI-2001 model according to the data of the EO and NS of the ionosphere is indicated.

Данное изобретение принято за прототип.This invention is taken as a prototype.

Основной его недостаток заключается в том, что точность определения координат ИРИ в значительной мере базируется на применении упрощенного варианта модели ионосферы IRI-2001 и способа ее коррекции, авторы не конкретизируют установки вариантов модели, следовательно используют штатные, что приводит к снижению точностных характеристик критических частот слоя F2 (f0F2) и главное высот максимума слоя F2 (hmF2), а также невозможности правильной оценки появления слоя F1 и спорадического слоя Es, кроме того, не учитывают энергетические параметры лучей и используют упрощенный подход к расчету траекторий распространения радиоволн вблизи точки поворота луча, что в большинстве времен суточно-сезонного цикла приводит к систематическому завышению оценок высот и, следовательно, дальности при лучевых расчетах.Its main drawback is that the accuracy of determining the coordinates of the IRI is largely based on the use of a simplified version of the IRI-2001 ionosphere model and the method of its correction, the authors do not specify the settings for the model variants, therefore, use standard ones, which reduces the accuracy characteristics of the critical layer frequencies F2 (f0F2) and most importantly the heights of the maximum of the F2 (hmF2) layer, as well as the impossibility of correctly assessing the appearance of the F1 layer and the sporadic layer Es, in addition, the energy parameters of the rays and use a simplified approach to calculating the paths of propagation of radio waves near the point of beam rotation, which in most times of the daily-seasonal cycle leads to a systematic overestimation of altitude estimates and, consequently, range in radiation calculations.

Все известные способы одноточечного местоопределения ИРИ основаны на упрощенных подходах к способам распространения КВ сигналов ионосферными модами и возможности точного описания ионосферной плазмы с помощью той или иной ее коррекции по реперным данным, результатам ВЗ или (и) НЗ. Ни в одном из способов не учитываются энергетические и флуктуационные характеристики распространяющихся сигналов и характеристики аппаратных средств ИРИ и пеленгатора. Пример (Фиг. 1) иллюстрирует, что ни один из предложенных ранее способов не пригоден для решения задачи однопозиционного местоопределения в большинстве ситуаций.All known methods of single-point location of IRI are based on simplified approaches to methods for the propagation of HF signals by ionospheric modes and the possibility of an accurate description of the ionospheric plasma using one or another of its corrections according to reference data, the results of airborne or (and) NS. None of the methods takes into account the energy and fluctuation characteristics of the propagating signals and the characteristics of the hardware of the IRI and direction finder. An example (Fig. 1) illustrates that none of the previously proposed methods is suitable for solving the problem of single-position location in most situations.

Задачей заявляемого изобретения является повышение точности одноместного определения координат источников радиоизлучений КВ диапазона радиоволн при ионосферном распространении.The task of the invention is to improve the accuracy of a single determination of the coordinates of the sources of radio waves of the HF range of radio waves during ionospheric propagation.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности однопозиционного местоопределения ИРИ.The technical result of the claimed invention is to improve the accuracy of single-position location of the IRI.

Технический результат изобретения достигается за счет единого целевого подхода, включающего обнаружение и прием на известной частоте многолучевого сигнала фазированной антенной решеткой, измерением с необходимой точностью по известным алгоритмам пространственных углов прихода (азимута, угла места) каждого мода принятого сигнала и оценки их энергетических параметров, формирования модели ионосферы, корректируемой на основе текущих данных вертикального, наклонного зондирования, с привлечением данных спутниковой томографии и магнитометров, а также радиофизической модели среды распространения радиоволн КВ диапазона, решению прямых и обратных задач, возникающих в процессе однопозиционного местоопределения и коррекции модели ионосферы.The technical result of the invention is achieved through a unified target approach, including the detection and reception of a multipath signal at a known frequency by a phased antenna array, measurement with the necessary accuracy according to known algorithms of spatial arrival angles (azimuth, elevation angle) of each mode of the received signal and estimation of their energy parameters, formation models of the ionosphere, corrected on the basis of current data of vertical, oblique sounding, using satellite tomography and magneto etrov and radiophysics medium model HF radio propagation range, direct and inverse problems arising in the course of single point positioning and ionospheric correction model.

Преимуществом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является:The advantage provided by the given set of features is:

Во-первых, более полный учет особенностей распространения КВ сигналов.First, a more complete account of the propagation features of HF signals.

Во-вторых, учет ошибок, вносимых знанием ионосферы, методом расчета траекторий распространения и измерения углов прихода пеленгатором.Secondly, taking into account the errors introduced by the knowledge of the ionosphere by calculating the propagation paths and measuring the angles of arrival by the direction finder.

В линейном приближении ошибку по дальности σR можно оценить по формуле:In the linear approximation, the range error σ R can be estimated by the formula:

Figure 00000001
Figure 00000001

где

Figure 00000002
- производная дальности по углу места;Where
Figure 00000002
- derivative of range in elevation;

Figure 00000003
- коэффициент учитывающий влияние относительной ошибки электронной концентрации на оценку дальности:
Figure 00000003
- coefficient taking into account the influence of the relative error of the electron concentration on the range estimate:

Figure 00000004
- СКО определения угла места;
Figure 00000004
- standard deviation for determining elevation angle;

δN - относительная ошибка оценки электронной концентрации.δ N is the relative error in estimating the electron concentration.

В формуле (1) используется предположение о независимости ошибок измерения углов прихода модов сигнала и знания пространственного распределения электронной концентрации ионосферы. Используя следствие из теоремы Мартина после несложных преобразований для коэффициента учета ошибок определения электронной концентрации можно получить:Formula (1) uses the assumption that the error in measuring the angles of arrival of signal modes and the knowledge of the spatial distribution of the electron concentration of the ionosphere are independent. Using the corollary of Martin's theorem after simple transformations for the coefficient of accounting for errors in determining the electron concentration, we can obtain:

Figure 00000005
Figure 00000005

где

Figure 00000006
- высота в точке поворота;Where
Figure 00000006
- height at the pivot point;

f - частота радиоволны;f is the frequency of the radio wave;

fo - плазменная частота в точке поворота луча.fo is the plasma frequency at the point of beam rotation.

В (1) при однопозиционном местоопределении содержатся и ошибки расчета траекторий распространения радиоволн через производную от дистанционно-угловой характеристики

Figure 00000007
и определение высоты точки поворота по формуле (2). Как и в патенте RU №2285934 основой при лучевых расчетах численно решается задача Коши для известной системы дифференциальных уравнений, однако вблизи точки поворота луча, где точное численное решение из-за ошибок вычислений невозможно применяется специальная аппроксимация позволяющая найти
Figure 00000006
с точностью недостижимой в указанном патенте.In (1), with one-position location, the errors in calculating the propagation paths of radio waves through the derivative of the distance-angle characteristic are also contained
Figure 00000007
and determining the height of the pivot point by the formula (2). As in RU patent No. 2285934, the basis for radiation calculations numerically solves the Cauchy problem for the well-known system of differential equations, however, near the beam turning point, where an exact numerical solution due to calculation errors is impossible, a special approximation is used to find
Figure 00000006
with accuracy unattainable in said patent.

В-третьих, проведение идентификации приходящих модов используя не только лучевые, но и энергетические и флуктуационные характеристики распространяющихся сигналов с использованием критерия максимального правдоподобия.Thirdly, the identification of incoming modes using not only the beam, but also the energy and fluctuation characteristics of the propagating signals using the maximum likelihood criterion.

В-четвертых, принятие специальных мер обеспечивающих устойчивость решения задачи определения местоположения ИРИ при коррекции параметров модели ионосферы в процессе решения некорректных обратных задач ВЗ и НЗ ионосферы.Fourth, the adoption of special measures to ensure the stability of the solution of the problem of determining the location of the IRI when correcting the parameters of the ionosphere model in the process of solving incorrect inverse problems of the ionosphere EO and NS.

В-пятых, измерение углов прихода с оценкой числа эффективных модов распространения.Fifth, the measurement of angles of arrival with an estimate of the number of effective propagation modes.

В-шестых, применение единого целевого подхода к построению модели ионосферы, решению прямых и обратных задач возникающих в процессе местоопределения и коррекции модели ионосферы.Sixth, the application of a single target approach to the construction of the ionosphere model, the solution of direct and inverse problems arising in the process of determining and correcting the ionosphere model.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:The invention is illustrated by drawings, which depict:

на фиг. 1 - Пример модовой структура КВ сигналов на частоте 17,1 МГц на трассе 2233 км;in FIG. 1 - An example of the modal structure of HF signals at a frequency of 17.1 MHz on the path of 2233 km;

на фиг. 2 - Структурная схема однопозиционного местоопределения координат ИРИ;in FIG. 2 - Block diagram of a single-position location of coordinates of the IRI;

на фиг. 3 - Геометрия распространения радиоволн в сферической ионосфере.in FIG. 3 - The geometry of the propagation of radio waves in the spherical ionosphere.

Предлагаемое изобретение поясняется структурной схемой (Фиг. 2) предлагаемого способа решения задачи однопозиционного местоопределения ИРИ.The invention is illustrated in the structural diagram (Fig. 2) of the proposed method for solving the problem of single-position determination of IRI.

Работает устройство следующим образом:The device operates as follows:

Приемная антенная решетка включает не менее 16-ти антенных элементов (АЭ), что определяется возможным разрешением до 4-х модов принимаемого поля. Каждый мод характеризуется амплитудой, фазой, углом места и азимутом, т.е., для однозначного решения задачи в одномодовом поле необходимо не менее 4-х АЭ. Вопрос поляризационного приема решается использованием конструкции АЭ обеспечивающей раздельный прием обеих компонент поля. Технология изготовления АЭ обеспечивает неравномерность их коэффициента передачи не более 1 дБ по амплитуде и 3-х градусов по фазе.The receiving antenna array includes at least 16 antenna elements (AE), which is determined by the possible resolution of up to 4 modes of the received field. Each mode is characterized by amplitude, phase, elevation angle and azimuth, i.e., for a unique solution of the problem in a single-mode field, at least 4 AEs are needed. The issue of polarization reception is solved using the AE design providing separate reception of both field components. AE fabrication technology ensures the unevenness of their transmission coefficient of not more than 1 dB in amplitude and 3 degrees in phase.

В качестве радиоприемного устройства (РПУ) используется многоканальное аналого-цифровое РПУ с числом каналов равным числу АЭ. Использование аналого-цифровой схемы определяется динамическим диапазоном помех в КВ диапазоне радиоволн, который достигает 120 дБ/Вт, что не обеспечивают существующие на данный момент аналого-цифровые преобразователи. Наличие аналоговой части требует проведения калибровки приемных каналов для обеспечения их идентичности. Проводимая калибровка с последующим выравниванием комплексных коэффициентов передачи приемных каналов обеспечивает неравномерность по амплитуде менее 1 дБ и 1 градуса по фазе.A multichannel analog-digital RPU with the number of channels equal to the number of AEs is used as a radio receiving device (RPU). The use of the analog-to-digital circuit is determined by the dynamic interference range in the HF range of radio waves, which reaches 120 dB / W, which is not provided by the analog-to-digital converters currently existing. The presence of the analog part requires calibration of the receiving channels to ensure their identity. The calibration carried out with the subsequent equalization of the complex transmission coefficients of the receiving channels ensures unevenness in amplitude of less than 1 dB and 1 degree in phase.

Высокая идентичность приемных каналов (включая АЭ) позволяет использовать методы сверхразрешения при измерении углов прихода с одновременной оценкой числа принимаемых модов. Оценка энергетики модов с флуктуационными характеристиками упрощает в дальнейшем задачу их идентификации при местоопределении.The high identity of the receiving channels (including AE) allows the use of superresolution methods for measuring the angles of arrival with a simultaneous estimate of the number of received modes. Evaluation of the energy of mods with fluctuation characteristics simplifies the task of identifying them when locating.

Магнитные данные позволяют ввести поправки на магнитные возмущения в модели ионосферы. Уровни геомагнитной активности выражаются с помощью индекса - Ак, показывающего величины магнитного и ионосферного возмущения. Индекс высчитывается на основе измерений магнитного поля, проводящихся ежедневно с трехчасовым интервалом, начиная с нуля часов по мировому (гринвичскому) времени. Максимальные величины магнитного возмущения сравниваются со значениями магнитного поля спокойного дня для конкретной обсерватории и в расчет принимается наибольшая величина из отмеченных отклонений. Наблюдения из 13 геомагнитных обсерваторий, расположенных на геомагнитных широтах от 44 до 60 градусов в обоих полушариях планеты позволяют определить среднепланетарный Ар-индекс. Индекс Ар выражается в целых числах от 0 до 400.Magnetic data allow corrections for magnetic disturbances in the ionosphere model. Levels of geomagnetic activity are expressed using the index - Ak, showing the magnitude of the magnetic and ionospheric disturbances. The index is calculated on the basis of magnetic field measurements carried out daily with a three-hour interval, starting from zero hours on world (Greenwich) time. The maximum values of the magnetic disturbance are compared with the values of the magnetic field of a calm day for a particular observatory, and the largest value of the noted deviations is taken into account. Observations from 13 geomagnetic observatories located at geomagnetic latitudes from 44 to 60 degrees in both hemispheres of the planet allow us to determine the average planetary A p- index. Index A p is expressed in integers from 0 to 400.

Единственная общепринятая модель в том числе, используемая в IRI-2012, как функция реакции на магнитную бурю основана на трехчасовых Ар индексах за 36 часовой период времени предшествующий интересуемому. Анализ основан на данных с 75 ионозондов для 43 бурь. Модель эмпирическая. Она включает 1000 коэффициентов Cij зависящих от дня года и магнитной широты на основе которых в зависимости от интегрального уровня магнитной активности с помощью степенных рядов определяется шторм фактор равный отношению критической частоты слоя F2 в возмущенных условиях к критической частоте слоя в спокойной ионосфере.The only generally accepted model used in IRI-2012, as a function of the response to a magnetic storm, is based on three-hour Ap indices for the 36 hour period preceding the subject. The analysis is based on data from 75 ionosondes for 43 storms. The model is empirical. It includes 1000 coefficients C ij depending on the day of the year and magnetic latitude, based on which, depending on the integral level of magnetic activity, power factors are used to determine the storm factor equal to the ratio of the critical frequency of the F2 layer under disturbed conditions to the critical frequency of the layer in a calm ionosphere.

Используемый в модели IRI алгоритм учета Ар индексов следующий. Из исходного массива трехчасовых {Api : i=1…13} формируется массив {Aej : j=1…39} имитирующий часовые значения Ар индексов. Каждое 3-х часовое значение Ае совпадает с соответствующим значением Ар, а промежуточные значения, соответствующие часовым значениям, определяются методом линейной интерполяции между 3-х часовыми узлами.The algorithm used to account for Ar indices used in the IRI model is as follows. From the initial three-hour array {Ap i : i = 1 ... 13}, an array {Ae j : j = 1 ... 39} is formed that imitates the hourly values of the Ap indices. Each 3-hour value of Ae coincides with the corresponding value of Ap, and the intermediate values corresponding to the hourly values are determined by the method of linear interpolation between 3-hour nodes.

Вычисляется сумма соответствующая интегралу по времени за 36 часовых интервалов начиная со 2-го, 3-его или 4-го значения элемента массива Ае (значение k=1, 2 или 3):The sum corresponding to the time integral over 36 hour intervals is calculated starting from the 2nd, 3rd or 4th value of the element of the array Ae (value k = 1, 2 or 3):

Figure 00000008
Figure 00000008

где fapi - коэффициенты.where fap i are the coefficients.

Если Rp<200, коррекция не проводится, в противном случае рассчитывается шторм фактор.If Rp <200, no correction is performed, otherwise the storm factor is calculated.

Основной проблемой, возникающей при использовании 1-го магнитометра при оценке Ар-индекса является отсутствие планетарного представления, которое обеспечивается усреднением измерений на 13 магнитных станциях, данные с которых в оперативном режиме практически невозможно получить.The main problem that arises when using the 1st magnetometer when evaluating the Ap-index is the lack of a planetary representation, which is ensured by averaging measurements at 13 magnetic stations, data from which is practically impossible to obtain in the on-line mode.

Для получения интегрального значения Rp, определяемого по формуле (3), используется следующая процедура. На магнитометре, входящем в состав комплекса местоопределения, определяются не трехчасовые индексы Ак, а часовые Aei, получаемые в модели учета возмущений линейной интерполяцией трехчасовых значений. Причем оценка этих индексов проводится не по случайному максимальному выбросу магнитных измерений за часовой интервал, а путем оценки квантиля распределения значений А за этот интервал. Это обеспечивает более надежную оценку за счет замены усреднения по пространству усреднением по времени, что в значительной степени повышает достоверность оценок. Далее по формулеTo obtain the integral value of Rp determined by formula (3), the following procedure is used. On the magnetometer, which is part of the location complex, not three-hour indices Ak are determined, but hourly Ae i , obtained in the model of perturbations by linear interpolation of three-hour values. Moreover, the assessment of these indices is carried out not by the random maximum emission of magnetic measurements per hour interval, but by estimating the quantile of the distribution of the values of A for this interval. This provides a more reliable estimate by replacing space averaging with time averaging, which greatly improves the reliability of the estimates. Further according to the formula

Figure 00000009
Figure 00000009

оценивается Rp, которое используется для расчета шторм фактора.estimated Rp, which is used to calculate the storm factor.

Модель ионосферы примененная в способе в отличие, например, от IRI-2001 используемой в Патенте RU №2285934, модернизирована. IRI-2001 и ее последняя версия IRI-2012 представляют собой набор моделей число комбинаций из которых измеряется сотнями. Авторы патента не конкретизируют установки вариантов модели, следовательно используют штатные установки. Недостатки такого подхода следующие. Во-первых, при вычислении критических частот слоя F2 используются коэффициенты разложения "ursi", а не "ccir" рекомендованные ITU-R, что по результатам сравнения с данными современных континентальных ионозондов дает меньшую точность представления критических частот слоя F2 (f0F2). Во-вторых, вероятностные характеристики появления слоя F1 не соответствуют наблюдаемым для региона РФ, что приводит к искажению формы профиля электронной концентрации (N(h)-профиля) и в дальнейшем к неверной оценке многомодовости и траекторий распространения радиоволн. Существенным недостатком моделей IRI является отсутствие адекватного представления высот максимума слоя F2 (hmF2), что ставит под сомнение возможность точного определения местоположения при полном учете формы N(h)-профиля в расчетах. В моделях IRI hmF2 определяется из коэффициента M3000F2, который вычислялся исходя из параболической аппроксимации профиля электронной концентрации области F2, что в большинстве времен суточно-сезонного цикла приводит к систематическому завышению оценок высот и, следовательно, дальности при лучевых расчетах.The ionosphere model used in the method, unlike, for example, the IRI-2001 used in Patent RU No. 2285934, has been modernized. IRI-2001 and its latest version of IRI-2012 are a set of models, the number of combinations of which is measured in hundreds. The authors of the patent do not specify the installation options for the model, therefore, use standard settings. The disadvantages of this approach are as follows. Firstly, in calculating the critical frequencies of the F2 layer, the ursi decomposition coefficients are used, rather than the ccir recommended by ITU-R, which, according to the results of comparison with the data of modern continental ionosondes, gives less accurate representation of the critical frequencies of the F2 layer (f0F2). Secondly, the probability characteristics of the appearance of the F1 layer do not correspond to those observed for the region of the Russian Federation, which leads to a distortion of the shape of the electron concentration profile (N (h) profile) and, subsequently, to an incorrect assessment of multimode mode and propagation paths of radio waves. A significant drawback of IRI models is the lack of an adequate representation of the heights of the maximum of the F2 (hmF2) layer, which casts doubt on the possibility of accurately determining the location when the shape of the N (h) profile is fully taken into account in the calculations. In IRI models, hmF2 is determined from the coefficient M3000F2, which was calculated on the basis of a parabolic approximation of the profile of the electron concentration of the F2 region, which in most times of the daily-seasonal cycle leads to a systematic overestimation of altitude estimates and, therefore, range in radiation calculations.

Указанные причины потребовали синтеза модели ионосферы отвечающей требованиям местоопределения. Модель ионосферы обеспечивает расчет параметров модельного профиля электронной концентрации ионосферы и другие необходимые параметры для заданных точек пространства требуемых зоны, времени суток, сезона и уровня солнечной активности. В качестве базовой модели ионосферы используется модель IRI-2012. Согласно отчету Н.3.2.1, типичная точность описания профиля электронной концентрации моделью IRI составляетThese reasons required the synthesis of a model of the ionosphere that meets the requirements of location. The ionosphere model provides the calculation of the parameters of the model profile of the electron concentration of the ionosphere and other necessary parameters for given points in space of the required zone, time of day, season and level of solar activity. The IRI-2012 model is used as the basic ionosphere model. According to the H.3.2.1 report, the typical accuracy of the description of the electron concentration profile by the IRI model is

- 5-15% для высот 100-200 км в дневное время,- 5-15% for altitudes of 100-200 km in the daytime,

- 15-30% для высот 100-200 км ночью,- 15-30% for altitudes of 100-200 km at night,

- 15-25% для высот более 200 км в низких и средних широтах.- 15-25% for altitudes of more than 200 km in low and middle latitudes.

Отсюда следует необходимость коррекции параметров модели по реальным измерениям. Так как модель IRI включает в себя большой набор частных моделей, ниже дана конкретизация используемого варианта.This implies the need to correct model parameters for real measurements. Since the IRI model includes a large set of private models, the specification of the option used is given below.

1) Модель расчета параметров области F21) Model for calculating the parameters of the region F2

Модель включает коэффициенты CCIR, которые позволяют предсказывать критические частоты области F2. Модель включает 24 карты для месяцев года двух уровней солнечной активности 10 и 100. Для предсказания f0F2 используется текущее 12 месячное среднее значение ионосферного индекс IG12 и линейная интерполяция для времени и солнечной активности.The model includes CCIR coefficients, which allow predicting the critical frequencies of the F2 region. The model includes 24 maps for the months of the year of two levels of solar activity 10 and 100. To predict f0F2, the current 12-month average value of the ionospheric index IG 12 and linear interpolation for time and solar activity are used.

Массивы коэффициентов CCIR включают коэффициенты M3000F2, с помощью которых определяется высота максимума F2 (hmF2). Высота максимума находится в тесной антикорреляции с критической частотой и определяется по формулам:The CCIR coefficient arrays include the M3000F2 coefficients, which determine the height of the maximum F2 (hmF2). The height of the maximum is in close anticorrelation with the critical frequency and is determined by the formulas:

Figure 00000010
Figure 00000010

CF=ƒ1/(ƒoF2/ƒoE-ƒ2)+ƒ3.CF = ƒ1 / (ƒoF2 / ƒoE-ƒ2) + ƒ3.

Здесь hmF2 в км. Факторы ƒ1, ƒ2 и ƒ3 константы, зависящие от текущего 12 месячного среднего значения числа солнечных пятен Rz12 и магнитной широты.Here hmF2 in km. Factors ƒ1, ƒ2 and ƒ3 are constants, depending on the current 12 month average of the number of sunspots Rz 12 and magnetic latitude.

2) Модель расчета параметров областей Е и F12) Model for calculating the parameters of regions E and F1

Электронная плотность областей Е и F1 в большей степени определяется балансом природных фотохимических процессов, а максимум плазменных частот строго зависит от зенитного угла Солнца χ. Модель IRI в среднем показывает разницу между реальными данными от 5 до 15%.The electron density of regions E and F1 is determined to a greater extent by the balance of natural photochemical processes, and the maximum of plasma frequencies strictly depends on the zenith angle of the Sun χ. The IRI model on average shows the difference between real data from 5 to 15%.

Для высоты максимума слоя Е принято постоянное значение равное 110 км. Значение полутолщины слоя равно 20 км.For the height of the maximum of layer E, a constant value of 110 km is assumed. The value of the half-thickness of the layer is 20 km.

Модель foF1 основана на магнитных широтах. При этом используется вариант расчета из набора функций IRI - по зенитному углу Солнца с L-условиями. Высота максимума электронной концентрации области F1 (hmF1) определяется по форме N(h)-профиля.The foF1 model is based on magnetic latitudes. In this case, a calculation option is used from a set of IRI functions - by the zenith angle of the Sun with L-conditions. The height of the maximum electron concentration of the F1 (hmF1) region is determined by the shape of the N (h) profile.

3) Форма N(h)-профиля соответствует рекомендованной в модели IRI-2007.3) The form of the N (h) profile corresponds to that recommended in the IRI-2007 model.

Отличия от моделей представленных в IRI состоят в следующем.Differences from the models presented in the IRI are as follows.

1) Вычисленная по формуле (5) hmF2 корректируется с помощью специальной функции1) The hmF2 calculated by formula (5) is adjusted using a special function

Figure 00000011
Figure 00000011

где d - день года,where d is the day of the year

h - время (час, десятые доли часа по местному времени),h - time (hour, tenths of an hour in local time),

Rz12 - число солнечных пятен.Rz12 is the number of sunspots.

Функция D основана на эмпирических коэффициентах полученных в результате обработки данных ионозондов осуществляющих определение hmF2 по N(h)-профилю ионосферы. Полученное таким образом по формуле (6) новое значение HmF2 используется в дальнейших расчетах.Function D is based on the empirical coefficients obtained as a result of processing the data of ionosondes determining hmF2 by the N (h) profile of the ionosphere. The new value of HmF2 obtained in this way by formula (6) is used in further calculations.

2) Модель вероятности появления слоя F1 скорректирована введением сезонного фактора fs=1.0+cos((d-173.5)*27π/365), который при умножении на вероятность появления слоя F1 (f1pb) используется для предсказания наличия слоя. Если f1pb*fs превышает значение порога, определяемого по данным ВЗ, то слой считается присутствующим.2) The model for the probability of the appearance of the F1 layer is adjusted by introducing the seasonal factor fs = 1.0 + cos ((d-173.5) * 27π / 365), which when multiplied by the probability of the appearance of the F1 layer (f1pb) is used to predict the presence of the layer. If f1pb * fs exceeds the threshold determined by the data of the OT, then the layer is considered to be present.

3) Введена модель спорадического слоя Es. Модель позволяет по дню года, местному времени, числу солнечных пятен, географическим координатам оценить предельную частоту слоя Es. В основе используется модель EsKGU. Это прогностическая вероятностная модель расчета медианных значений предельных частот и высот слоя Es, в которой суточные вариации указанных параметров описываются тригонометрическим полиномом в виде разложения в ряд Фурье вида3) A model of the sporadic layer Es has been introduced. The model allows estimating the limiting frequency of the Es layer by the day of the year, local time, the number of sunspots, and geographical coordinates. It is based on the EsKGU model. This is a predictive probabilistic model for calculating the median values of the limiting frequencies and heights of the Es layer, in which the daily variations of these parameters are described by a trigonometric polynomial in the form of a Fourier series expansion of the form

Figure 00000012
Figure 00000012

где а 0, a k bk - коэффициенты ряда Фурье для частот,where a 0 , a k b k are the coefficients of the Fourier series for frequencies,

k - номер гармоники,k is the harmonic number,

t - местное время в часах.t is the local time in hours.

Проверки, проведенные авторами данной модели, показали, что соответствие расчетных и экспериментальных распределений имело место: зимой - в 71% случаев, в равноденствие - в 70%, летом - в 77%. Т.е. вероятностные характеристики предсказания данной модели не высоки. Поэтому при использовании в составе модели ионосферы эти представления используются в случае, если спорадический слой Es наблюдается по данным ВЗ или (и) НЗ ионосферы, с соответствующей корректировкой по результатам измерений.Checks carried out by the authors of this model showed that the correspondence between the calculated and experimental distributions took place: in the winter - in 71% of cases, at the equinox - in 70%, in the summer - in 77%. Those. the probabilistic characteristics of the prediction of this model are not high. Therefore, when using the ionosphere as part of the model, these representations are used if the sporadic layer Es is observed according to the data of the ionosphere and (or) the ionosphere, with corresponding adjustment according to the measurement results.

4) Реализация модели ионосферы IRI выполнена на языке С++, включает только нужные компоненты и оптимизирована под структуру языка.4) The implementation of the IRI ionosphere model is performed in C ++, includes only the necessary components and is optimized for the structure of the language.

Радиофизическая модель реализует расчет траекторий распространения радиоволн на трассах зондирования ионосферы и приема сигналов ИРИ. Расчет траекторий распространения радиоволн проводится в диапазоне частот 1,0…30 МГц в азимутальной зоне 360° и дальностях до 4500 км относительно центра. Задача решается для трехмерно-неоднородной ионосферы в приближениях геометрической оптики. Закон преломления радиоволн используется в следующем виде:The radiophysical model implements the calculation of the trajectories of the propagation of radio waves along the sounding paths of the ionosphere and reception of IRI signals. The calculation of the propagation paths of radio waves is carried out in the frequency range 1.0 ... 30 MHz in the azimuth zone of 360 ° and ranges up to 4500 km relative to the center. The problem is solved for a three-dimensionally inhomogeneous ionosphere in approximations of geometric optics. The law of refraction of radio waves is used in the following form:

Figure 00000013
Figure 00000013

Figure 00000014
Figure 00000014

где n - показатель преломления вдоль траектории распространения радиоволн;where n is the refractive index along the path of propagation of radio waves;

dS - элемент траектории, точки которой определяются координатами сферической проекции на взаимно-перпендикулярные плоскости: плоскость дуги большого круга, проходящей через центр земли пункты передачи и приема, и перпендикулярную к ней. В первой плоскости положение текущей точки определяется координатами R и θ, в перпендикулярной - R и χ;dS is an element of the trajectory whose points are determined by the coordinates of the spherical projection on mutually perpendicular planes: the plane of the arc of a large circle passing through the center of the earth transmission and reception points, and perpendicular to it. In the first plane, the position of the current point is determined by the coordinates R and θ, in the perpendicular - R and χ;

χ - боковое угловое отклонение траектории от плоскости дуги большого круга;χ - lateral angular deviation of the trajectory from the plane of the arc of a large circle;

θ - угловое расстояние в плоскости дуги большого круга;θ is the angular distance in the plane of the arc of a large circle;

ϕ и ψ - углы между проекциями волнового вектора и радиусом R в плоскостях Rθ и Rχ.ϕ and ψ are the angles between the projections of the wave vector and the radius R in the planes Rθ and Rχ.

Решение уравнений (8) проводится с учетом результатов полученных в:The solution of equations (8) is carried out taking into account the results obtained in:

1) изменения расстояния скачка и углов прихода в вертикальной плоскости в основном обусловлено градиентами ионосферы в плоскости дуги большого круга,1) changes in the jump distance and angles of arrival in the vertical plane are mainly due to the gradients of the ionosphere in the plane of the arc of a large circle,

2) боковые отклонения углов прихода в азимутальной плоскости определяются градиентами в поперечной плоскости.2) lateral deviations of the angles of arrival in the azimuthal plane are determined by gradients in the transverse plane.

Это позволяет искать решение сначала в плоскости большого круга с последующей корректировкой на боковые градиенты. Решение в плоскости большого круга ищется в видеThis allows you to search for a solution first in the plane of a large circle with subsequent adjustment for lateral gradients. The solution in the plane of the large circle is sought in the form

Figure 00000015
Figure 00000015

для дальности скачка,for the range of the jump,

Figure 00000016
Figure 00000016

для группового пути.for the group path.

Используемые обозначения иллюстрирует Фиг. 3.The notation used is illustrated in FIG. 3.

Здесь r - расстояние от центра Земли;Here r is the distance from the center of the Earth;

re - радиус Земли;r e is the radius of the Earth;

rt - высота траектории в точке поворота луча,r t is the height of the trajectory at the point of rotation of the beam,

r01 - высота входа луча в ионосферу,r 01 is the height of the beam entry into the ionosphere,

r02- высота выхода луча из ионосферы,r 02 is the height of the beam exit from the ionosphere,

q(r)=r2μ22,q (r) = r 2 μ 22 ,

ρ=recosΔ,ρ = r e cosΔ,

Δ - угол места излучения луча,Δ is the angle of the beam,

μ - фазовый показатель преломления, связанный с электронной концентрацией соотношением

Figure 00000017
,μ is the phase refractive index associated with the electron concentration by the ratio
Figure 00000017
,

е, m - заряд и масса электрона,e, m is the charge and mass of the electron,

ε0 - диэлектрическая проницаемость свободного пространства,ε 0 - dielectric constant of free space,

f - частота волны,f is the wave frequency,

ε - некоторая малая величина, зависящая от точности вычислений.ε is a small quantity that depends on the accuracy of the calculations.

Точка поворота rt, определяется из условия

Figure 00000018
The pivot point r t is determined from the condition
Figure 00000018

Разбиение интегрирования по траектории S на пять интегралов обусловлено следующими причинами. В свободном пространстве μ=1, соответствующие выражения для D и Pg интегрируются по аналитическим формулам, а исходные интегралы разбиваются на две части - внеионосферную (первый и пятый интегралы в формуле (9) и формуле (10)) и ионосферную. Наличие градиентов электронной концентрации в общем случае приводит к несовпадению углов входа в ионосферу и выхода из нее, что определяет разбитие внеионосферной зоны на два участка интегрирования. Интеграл в ионосферной части является несобственным, имеющим разрыв в точке поворота, где знаменатель

Figure 00000019
Это определяет разбитие ионосферной части траектории на 3 части.The division of integration along the trajectory S into five integrals is due to the following reasons. In free space μ = 1, the corresponding expressions for D and P g are integrated by analytical formulas, and the initial integrals are divided into two parts - the off-ionosphere (the first and fifth integrals in formula (9) and formula (10)) and the ionosphere. The presence of gradients of electron concentration in the general case leads to a mismatch between the entry and exit angles of the ionosphere, which determines the breaking of the off-ionospheric zone into two integration regions. The integral in the ionospheric part is improper, having a gap at the turning point, where the denominator
Figure 00000019
This determines the breakdown of the ionospheric part of the trajectory into 3 parts.

При произвольной форме профиля электронной концентрации аналитическое интегрирование ионосферной части невозможно и вычисления проводятся численными методами.With an arbitrary shape of the electron concentration profile, analytical integration of the ionospheric part is impossible and calculations are carried out by numerical methods.

Для этого осуществляется интерполяция значений электронной концентрации N(ri), формируемых геофизической моделью на высотах ri, сплайном второго порядка. Отрезок [r0, rm] от основания до высоты максимума электронной концентрации rm разбивается на М отрезков: ri=r0+Δri, где Δr=(rm - r0)/М. На каждом отрезке [ri, ri+1] профиль распределения электронной концентрации представляется квадратным трехчленом:For this, the electron concentration N (r i ) is interpolated, formed by the geophysical model at heights r i , by a second-order spline. The segment [r 0 , r m ] from the base to the height of the maximum electron concentration r m is divided into M segments: r i = r 0 + Δri, where Δr = (r m - r 0 ) / M. On each segment [r i , r i + 1 ] the distribution profile of the electron concentration is represented by a square trinomial:

N(r)=Si(r)=a ir2+bir+ci при r∈[ri, ri+1]N (r) = S i (r) = a i r 2 + b i r + c i for r∈ [r i , r i + 1 ]

с условиями гладкости на концах:with smoothness conditions at the ends:

N(ri)=Si(ri)=Si+1(ri), i=1,…,M-1; N(r0)=S(r0), N(rM)=SM-1(rM);N (r i ) = S i (r i ) = S i + 1 (r i ), i = 1, ..., M-1; N (r 0 ) = S (r 0 ), N (r M ) = S M-1 (r M );

Figure 00000020
.
Figure 00000020
.

В окрестности точки поворота, когда вычислительная погрешность не позволяет использовать численные методы, описание профиля заменяется квазипараболической зависимостью, что позволяет взять третий интеграл аналитически.In the vicinity of the turning point, when the computational error does not allow the use of numerical methods, the profile description is replaced by a quasi-parabolic dependence, which allows us to take the third integral analytically.

ƒN 2(r)=Q1(r)=(A1r2+B1r+C1)/r2 при r ∈ [rt-ε, rt+ε];ƒ N 2 (r) = Q 1 (r) = (A 1 r 2 + B 1 r + C 1 ) / r 2 for r ∈ [r t-ε , r t + ε ];

Q1(rt-ε)=ƒN 2(rt-ε), Q1(rt+ε)=ƒN 2(rt+ε);Q 1 (r t-ε ) = ƒ N 2 (r t-ε ), Q 1 (r t + ε ) = ƒ N 2 (r t + ε );

Q1'(rt-ε)=(ƒN 2(rt-ε))'.Q 1 '(r t-ε ) = (ƒ N 2 (r t-ε ))'.

В качестве rt+e выбирается первая после rt-ε узловая точка интегрирования, для которой подкоренная функция

Figure 00000021
и в третьих интегралах выражений (8) и (9) функция F(r) - r222 заменяется на функцию
Figure 00000022
где μ1 2=1 - Q1(r)/ƒ2. Высота поворота rt1 определяется из уравнения F1(rt)=0.As r t + e , the first integration point after r t-ε is chosen, for which the root function
Figure 00000021
and in the third integrals of expressions (8) and (9), the function F (r) - r 2 / μ 22 is replaced by the function
Figure 00000022
where μ 1 2 = 1 - Q 1 (r) / ƒ 2 . The turning height r t1 is determined from the equation F 1 (r t ) = 0.

Второй и четвертый интегралы вычисляются численно.The second and fourth integrals are calculated numerically.

Проведенная оценка точности определения дальности при данном представлении дала суммарную ошибку вычислений менее 0,2 км при ε=0,05.The assessment of the accuracy of determining the range with this representation gave a total calculation error of less than 0.2 km at ε = 0.05.

Азимутальная девиация (отклонение луча от плоскости большого круга) определяется по формуле:Azimuthal deviation (deviation of the beam from the plane of the big circle) is determined by the formula:

Figure 00000023
Figure 00000023

где iχ - угол наклона линии равной электронной концентрации (изолиний).where iχ is the angle of inclination of the line of equal electron concentration (isolines).

Угол наклона изолиний в радианах оценивается по формуле:The angle of the isolines in radians is estimated by the formula:

iχ=arctg{(h2-h1)/(2×re+h1+h2)×ctg(χ/2)},iχ = a rctg {(h2-h1) / (2 × r e + h1 + h2) × ctg (χ / 2)},

подставляя в (11) получим выражение для расчета азимутальной девиации:substituting in (11) we obtain the expression for calculating the azimuthal deviation:

Δβ=arctg{tg(Δ)×(h2-h1)/(2×re+h1+h2)×ctg(χ/2)},Δβ = a rctg {tg (Δ) × (h2-h1) / (2 × r e + h1 + h2) × ctg (χ / 2)},

где h1, h2 - значения высот равной электронной концентрации относительно поверхности Земли в двух соседних точках изолинии на дальности точки поворота при условии, что концентрация электронов в этих точках меньше высоты максимума электронной концентрации. Определяются высота ho=rt-re точки поворота и значение плазменной частоты fo в этой точке. В соседних по азимуту точках сетки этой же дальности находятся высоты, соответствующие частоте fo;where h1, h2 are heights of equal electron concentration relative to the Earth’s surface at two adjacent contour points at the turning point range, provided that the electron concentration at these points is less than the height of the maximum electron concentration. The height ho = r t -r e of the turning point and the value of the plasma frequency fo at this point are determined. At azimuthally adjacent grid points of the same range, there are heights corresponding to the frequency fo;

χ - центральный угол, соответствующий расстоянию между точками 1 и 2.χ is the central angle corresponding to the distance between points 1 and 2.

ctg(χ/2)=Const/Ro,ctg (χ / 2) = Const / Ro,

где Ro - дальность до точки поворота;where Ro is the distance to the turning point;

Const=re/tg(a/2);Const = r e / tg ( a / 2);

а - азимутальное расстояние между линиями сетки расчета электронной концентрации. a - azimuthal distance between the grid lines of the calculation of electron concentration.

Истинный азимут определяется по формуле:True azimuth is determined by the formula:

β=βизм+Δβ,β = β MOD + Δβ,

где βизм - оценка азимута прихода сигналов ИРИ.where β ism is the estimate of the azimuth of the arrival of IRI signals.

Для местоопределения положения ИРИ в силу динамики и нестационарности ионосферы одних модельных представлений недостаточно. Адекватное представление ионизации в ионосфере обеспечивается ее диагностикой радиофизическими методами с последующей коррекцией параметром модели среды по ее результатам. Коррекция проводится на двух уровнях глобальном и региональном.Due to the dynamics and unsteadiness of the ionosphere, model representations alone are not enough to determine the position of Iran. An adequate representation of ionization in the ionosphere is ensured by its diagnostics by radiophysical methods with subsequent correction by the parameter of the model of the medium according to its results. Correction is carried out at two levels, global and regional.

Применен математический аппарат, который учитывает не только корреляционные свойства ионосферы, но и различные точности и возможности определения характеристик ионосферной плазмы различными методами зондирования с учетом флуктуационных характеристик.A mathematical apparatus was used that takes into account not only the correlation properties of the ionosphere, but also various accuracy and possibilities of determining the characteristics of the ionospheric plasma by various sounding methods, taking into account fluctuation characteristics.

Основной вес в адаптацию и стабилизацию решений вносит метод ВЗ, который позволяет скорректировать параметры нижних (до F2) областей ионосферы, распространив эти результаты на весь регион радиусом до 3000 км от места установки комплекса однопозиционного местоопределения. Область F2 корректируется в центре с учетом флуктуаций ее параметров и через корреляционные зависимости распространяется на весь регион. Данные космической радиотомографии с учетом точности их получения используются для дальнейшей пространственной коррекции параметров области F2 с использованием данных ВЗ для калибровки, а результаты НЗ, характеризующие всю область распространения, учитываются через корректировку шторм фактора.The main weight in the adaptation and stabilization of solutions is made by the VZ method, which allows you to adjust the parameters of the lower (up to F2) ionosphere regions, extending these results to the entire region with a radius of up to 3000 km from the installation site of the single-position location complex. Region F2 is corrected in the center taking into account fluctuations in its parameters and, through correlation dependences, extends to the entire region. The data of space radiotomography, taking into account the accuracy of their obtaining, are used for further spatial correction of the parameters of the F2 region using the data of the airspace for calibration, and the results of the spacecraft characterizing the entire distribution area are taken into account through the correction of the storm factor.

Для уменьшения флуктуационных ошибок используется временное сглаживание с эффективной памятью полученных параметров модели ионосферы по результатам непрерывной серии измерений.To reduce fluctuation errors, temporary smoothing with effective memory of the obtained parameters of the ionosphere model using the results of a continuous series of measurements is used.

Реализация метода ВЗ не требует специальных аппаратурных средств и реализуется на антенной решетке и приемном устройстве пеленгатора с распределенным по антенным элементам усилителям мощности излучения. Зондирование проводится в специально выделяемые интервалы, их суммарная длительность не превышает 1,5% времени работы пеленгатора. Получение и обработка с получением профиля электронной концентрации результатов ВЗ выполняются автоматически. Некорректность решения обратной задачи ВЗ устраняется поиском решения в классе N(h)-профилей используемых в синтезированной модели ионосферы данной выше. При построении профиля проверяется гипотеза о наличии спорадического слоя Es. Если гипотеза подтверждается, то определяются тип слоя (высокий/низкий) и его параметры с коррекцией формы N(h)-профиля.Implementation of the VZ method does not require special hardware and is implemented on the antenna array and the receiver of the direction finder with radiation power amplifiers distributed over the antenna elements. The sounding is carried out at specially allocated intervals, their total duration does not exceed 1.5% of the operating time of the direction finder. Obtaining and processing with obtaining a profile of the electronic concentration of the results of the airspace are performed automatically. The incorrectness of the solution of the inverse VZ problem is eliminated by the search for a solution in the class of N (h) profiles used in the synthesized ionosphere model given above. When constructing the profile, the hypothesis of the presence of a sporadic layer Es is checked. If the hypothesis is confirmed, then the type of layer (high / low) and its parameters with the correction of the shape of the N (h) profile are determined.

Получаемые параметры профиля электронной концентрации: критическая частота слоя F2 (f0F2), высота максимума электронной концентрации слоя F2 (hmF2), критическая частота слоя F1 (f0F1), высота максимума электронной концентрации слоя F1 (hmF1), критическая частота слоя Е (f0E), высота максимума электронной концентрации слоя Е (hmE), критическая частота слоя Es (f0Es), высота максимума электронной концентрации слоя Es (hmEs), тип Es служат основой для выполнения коррекции модели ионосферы, результатом которой является получение значений электронной концентрации в узловых точках системы координат азимут (β), дальность (R), высота (h). При расчете траекторий распространения радиоволн эти узловые значения, описывающие скорректированную модель ионосферы, используются для построения распределения электронов по трассе распространения радиоволн.The obtained parameters of the electron concentration profile are: the critical frequency of the layer F2 (f0F2), the height of the maximum electron concentration of the layer F2 (hmF2), the critical frequency of the layer F1 (f0F1), the height of the maximum electron concentration of the layer F1 (hmF1), the critical frequency of the layer E (f0E), the height of the maximum electron concentration of the layer E (hmE), the critical frequency of the layer Es (f0Es), the height of the maximum electron concentration of the layer Es (hmEs), type Es serve as the basis for the correction of the ionosphere model, the result of which is to obtain the values of the electron concentration in the node At the points of the coordinate system, azimuth (β), range (R), height (h). When calculating the propagation paths of radio waves, these nodal values describing the adjusted model of the ionosphere are used to construct the distribution of electrons along the propagation path of radio waves.

Коррекция модели ионосферы делится на глобальную, региональную и флуктуационную. Глобальная модель ионосферы на базе IRI-2012 в качестве входных параметров использует среднемесячные ионосферный индекс IG12 и число солнечных пятен Rz12. Определение конкретных значений IG и Rz на требуемый день и время суток проводится путем линейной интерполяции соседних среднемесячных значений IG12 и Rz12, сглаженные значения которых спрогнозированы, по крайней мере, на год вперед. Глобальная коррекция позволяет получить эти индексы на требуемый период наблюдений.The correction of the ionosphere model is divided into global, regional and fluctuation. The global ionosphere model based on IRI-2012 uses the average monthly ionospheric index IG 12 and the number of sunspots Rz 12 as input parameters. The determination of specific IG and Rz values for the required day and time of the day is carried out by linear interpolation of the neighboring monthly average IG 12 and Rz 12 values, the smoothed values of which are predicted at least a year in advance. Global correction allows you to get these indices for the required observation period.

Критическая частота области F2 линейно связана с ионосферным индексом IG, который рассчитывается усреднением f0F2 полученных в результате ВЗ на 13-ти ионозондах разбросанных по Земному шару. В нашем случае имеется один ионозонд, получивший значения f0F2 в одной точке. Глобальное значение IG корректируется следующим образом. Рассчитывается значение IGi, соответствующие измеренному значению критической частоты f0F2i в i-ый момент времени по формулеThe critical frequency of the F2 region is linearly related to the ionospheric index IG, which is calculated by averaging f0F2 obtained as a result of the VZ on 13 ionosonde scattered around the globe. In our case, there is one ionosonde, which received f0F2 values at one point. The global IG value is adjusted as follows. The value of IG i corresponding to the measured value of the critical frequency f0F2 i at the i-th moment of time is calculated by the formula

Figure 00000024
Figure 00000024

где IG - индекс, определенный на предыдущем шаге коррекции или по прогнозу;where IG is the index determined at the previous correction step or according to the forecast;

f0F2 - значение критической частоты, определенное по индексу IG.f0F2 is the critical frequency value determined by the IG index.

Формируется новый глобальный индексA new global index is being formed

Figure 00000025
Figure 00000025

где 0<η<1 коэффициент, зависящий от координат зондирования.where 0 <η <1 is a coefficient depending on the sensing coordinates.

В IRI число солнечных пятен Rz участвует в определении f0E, f0F1 и hmF2. Однако, как видно из (5), связь нелинейная. Точности оценок f0E, f0F1 и hmF2 на основе измерений при ВЗ и их связь с Rz различны. Поэтому значение Rzi ищется путем минимизации средневзвешенной суммыIn IRI, the number of sunspots Rz is involved in determining f0E, f0F1, and hmF2. However, as can be seen from (5), the connection is nonlinear. The accuracy of the estimates of f0E, f0F1, and hmF2 based on measurements at VZ and their relation to Rz are different. Therefore, the value of Rz i is sought by minimizing the weighted average

Figure 00000026
Figure 00000026

где a k, k=1…3 - весовые коэффициенты, параметры f0E, f0F1 и hmF2 с индексом i соответствуют рассчитанным по модели по значению Rzi, а без индекса определенным из рассчитанного по данным измерений N(h)-профилю. Коэффициенты a k обнуляются, если соответствующее измерение не получено.where a k , k = 1 ... 3 are weighting coefficients, the parameters f0E, f0F1 and hmF2 with index i correspond to those calculated by the model according to the value of Rz i , and without the index determined from the N (h) profile calculated from the measurement data. The coefficients a k are reset if the corresponding measurement is not obtained.

Полученное таким путем значение Rzi сглаживается с предыдущимThe value of Rz i obtained in this way is smoothed with the previous

Figure 00000027
Figure 00000027

где

Figure 00000028
подобранный коэффициент и используется далее в качестве глобального.Where
Figure 00000028
selected coefficient and is used further as global.

В случае, если обнаружен спорадический слой Es, рассчитывается отношение измеренной критической частоты f0Es к прогнозной, определенной по формуле (7), и по (7) формируются критические частоты Es скорректированные на эту величину. Высота максимума электронной концентрации слоя Es в зоне полагается равной измеренной.If a sporadic layer Es is detected, the ratio of the measured critical frequency f0Es to the predicted one determined by formula (7) is calculated, and critical frequencies Es corrected by this value are formed from (7). The height of the maximum electron concentration of the Es layer in the zone is assumed to be equal to the measured one.

Завершающим этапом коррекции по данным ВЗ является корректировка по данным измерений hmE и YmE, которые являются глобальными для модели IRI. Операция выполняется по формулам аналогичным (13) и (14) с заменой индекса IGi на измеренные параметры hmEi и ymEi The final stage of the correction according to the OT data is the correction according to the measurements of hmE and YmE, which are global for the IRI model. The operation is performed according to formulas similar to (13) and (14) with the replacement of the index IG i by the measured parameters hmE i and ymE i

Коррекция параметров модели ионосферы по данным космической томографии базируется на использовании двухчастотных сигналов навигационных спутников ГЛОНАСС и GPS принимаемых в точке расположения ионозонда ВЗ. Метод позволяет охватить зону радиусом до 1000 км. Разность дальности прихода сигналов на двух частотах в приближении локальной сферически однородной ионосферы связывается с электронной концентрацией уравнением радиопросвечиванияThe correction of the parameters of the ionosphere model according to space tomography is based on the use of two-frequency signals from the GLONASS and GPS navigation satellites received at the point of location of the VZ ionosonde. The method allows you to cover a zone with a radius of up to 1000 km. The difference in the signal arrival range at two frequencies in the approximation of a local spherically uniform ionosphere is associated with the electron concentration by the radio transmission equation

Figure 00000029
Figure 00000029

где h0 и hm - нижняя и верхняя высота границ ионосферы,where h 0 and h m are the lower and upper heights of the boundaries of the ionosphere,

Y - зенитный угол наблюдения спутника с точки наблюдений,Y is the zenith angle of observation of the satellite from the observation point,

h - текущая высота от поверхности Земли,h is the current height from the surface of the Earth,

δ - неустранимая погрешность измерений, зависящая от частоты.δ - fatal error of measurements, depending on the frequency.

Это интегральное уравнение 1-го рода типа Фредгольма, его решение относится к классу некорректно поставленных задач. Получаемые N(h)-профили в основном характеризуют область F2 не отражают спорадических образований. Однако, в течении суток можно получить из одного пункта наблюдений более 20000 профилей электронной концентрации, что позволяет приблизить модель ионосферы к реальности.This is an integral equation of the first kind of Fredholm type; its solution belongs to the class of incorrectly posed problems. The resulting N (h) profiles mainly characterize the F2 region and do not reflect sporadic formations. However, during the day, more than 20,000 electron concentration profiles can be obtained from one observation point, which makes it possible to bring the ionosphere model closer to reality.

Проведение калибровки измерений по данным ВЗ позволяет обеспечить получение массива данных в зоне радиусом до 1000 км содержащего f0F2 и hmF2 для географических точек, над которыми находятся в данный момент навигационные спутники. Эти данные используются для определения региональных индексов IGr и Rzr.Calibration of measurements according to the airborne data makes it possible to obtain a data array in a zone with a radius of up to 1000 km containing f0F2 and hmF2 for the geographical points above which navigation satellites are currently located. These data are used to determine regional indices IGr and Rzr.

Зона радиусом 1000 км разбивается на М участков {θm, m=1…М} шириной 15-30° по азимуту и ~250 км по дальности. На интервале времени квазистационарности ионосферы (≤15 минут) по формуле (12) определяются массивы индексов {IGrim} по спутниковым профилям соответствующих участкам θm. Рассчитывается региональный индекс для каждого участка, в котором получена информацияA zone with a radius of 1000 km is divided into M sections {θ m , m = 1 ... M} with a width of 15-30 ° in azimuth and ~ 250 km in range. In the time interval of the quasistationary state of the ionosphere (≤15 minutes), formula (12) determines the arrays of indices {IGr im } from satellite profiles corresponding to sections θ m . The regional index is calculated for each site in which information is received.

Figure 00000030
Figure 00000030

где Im - число измерений в m-ом участке.where Im is the number of measurements in the mth section.

Одновременно определяется Rzrim как

Figure 00000031
и рассчитывается среднее за интервалAt the same time, Rzr im is defined as
Figure 00000031
and the average for the interval is calculated

Figure 00000032
Figure 00000032

Далее по формулам (13) и (14) вычисляются сглаженные относительно глобальных индексов значения, которые принимаются за региональные на очередной интервал времени. Для произвольной точки с координатами азимут-дальность (а,r) в пределах радиуса 3000 км от центра региональные индексы определяются по формуламThen, using formulas (13) and (14), values smoothed relative to global indices are calculated, which are taken as regional for the next time interval. For an arbitrary point with azimuth-range coordinates (a, r) within a radius of 3000 km from the center, regional indices are determined by the formulas

Figure 00000033
Figure 00000033

Figure 00000034
Figure 00000034

гдеWhere

F(x a r - xm)=F'(φ)⋅F'(λ) - функция корреляции для точки с координатами (а,r) с точкой xm;F (x a r - x m ) = F '(φ) ⋅ F' (λ) - correlation function for the point with coordinates (a, r) with the point x m ;

Figure 00000035
Figure 00000035

Figure 00000036
Figure 00000036

ϕ - разница широт точки (а,r) и центром участка θm (точка xm);ϕ is the difference between the latitudes of the point ( a , r) and the center of the segment θ m (point x m );

λ - разница долгот точки (а,r) и центром участка θm;λ is the difference in the longitudes of the point ( a , r) and the center of the segment θ m ;

Δλφ - параметры определяющиеся корреляцией по долготе и широтеΔ λ , Δ φ - parameters determined by correlation in longitude and latitude

зависящие от даты, времени и географических координат.depending on date, time and geographic coordinates.

Сложность использования результатов НЗ ионосферы обусловлена тем, что в формировании сигналов НЗ участвует вся среда распространения вдоль трассы зондирования и применить эти результаты (в отличие от ВЗ и спутниковой томографии, характеризующих одну точку) затруднительно. Шторм фактор сƒ определяется с помощью функции "STORM" модели IRI по значению Rp, рассчитанному по формуле (8). При наличии возмущений (Rp>200) критическая частота F2 в рассматриваемой географической точке корректируется на величину шторм фактора: f0F2=cf×f0F2. Значение в соседних точках траектории в фиксированный момент времени зависит только от геомагнитных координат. Для рассматриваемых трасс с учетом точности определения результатов НЗ величина с/считается постоянной.The complexity of using the results of the NS of the ionosphere is due to the fact that the entire propagation medium along the sounding path is involved in the formation of the signals of the NS and it is difficult to apply these results (in contrast to the HE and satellite tomography characterizing one point). Storm factor cƒ is determined using the "STORM" function of the IRI model according to the Rp value calculated by formula (8). In the presence of disturbances (Rp> 200), the critical frequency F2 at the considered geographical point is adjusted by the magnitude of the storm factor: f0F2 = cf × f0F2. The value at neighboring points of the trajectory at a fixed point in time depends only on geomagnetic coordinates. For the considered routes, taking into account the accuracy of determining the results of NS, the value of s is considered constant.

Автоматическая обработка и интерпретация время-частотных характеристик (ВрЧХ) НЗ проводится с использованием расчетов траекторий и скорректированной модели ионосферы описанной выше. Обработка предполагает нахождение наиболее правдоподобной гипотезы о расчетных ВрЧХ совпадающих в смысле критерия максимального правдоподобия с экспериментальными измерениями. Поиск предполагает нахождение коэффициента деформации модели ионосферы. Т.е., если в результате поиска обнаружена гипотеза, удовлетворяющая экспериментальным данным, то тем самым определен дополнительный фактор cf', который фиксируется в направлении трассы НЗ и распространяется на азимутальный сектор ±15° относительно этого направления.Automatic processing and interpretation of the time-frequency characteristics (HFC) of the NS is carried out using the calculation of the trajectories and the adjusted model of the ionosphere described above. Processing involves finding the most plausible hypothesis about the estimated GFCFs that coincide in the sense of the maximum likelihood criterion with experimental measurements. The search involves finding the strain coefficient of the ionosphere model. That is, if a hypothesis satisfying the experimental data was found as a result of the search, then an additional factor cf 'is determined, which is fixed in the direction of the NS path and extends to the azimuthal sector of ± 15 ° relative to this direction.

Задача однопозиционного местоопределения решается следующим образом. Имеем на входе последовательность измерений углов прихода сигналов на частоте f. Каждое измерение i описывается вектором Xi={ αi, βi, Qi}, i=1…I, где I - число измеренных углов прихода модов, состоящим из составляющих:The problem of one-position location is solved as follows. We have at the input a sequence of measurements of the angles of arrival of signals at a frequency f. Each measurement i is described by the vector X i = {α i , β i , Q i }, i = 1 ... I, where I is the number of measured angles of arrival of the modes, consisting of the components:

Figure 00000037
- азимутальный угол;
Figure 00000037
- azimuth angle;

βi - угол места;β i - elevation angle;

Qi - отношением сигнал/помеха.Q i - signal-to-noise ratio.

И корреляцционной матрицей ошибок i-ro измеренияAnd an i-ro measurement correlation matrix

Figure 00000038
Figure 00000038

σαi - СКО оценки азимута;σ αi - standard deviation of azimuth estimation;

σβi - СКО оценки угла места;σ βi - standard deviation of elevation angle estimation;

σQi - СКО оценки отношения сигнал/помеха.σ Qi is the standard deviation of the signal-to-noise ratio.

С другой стороны для данной последовательности измерений указанным выше методом по скорректированной модели ионосферы рассчитаны значения дальностей и отношения сигнал/помеха для всех возможных модов распространения, приходящих под углами (αi, βi). Т.е. определены расчетные векторы

Figure 00000039
с матрицами ошибок
Figure 00000040
возможным m=0…Mi модам распространения под i-ми углами.On the other hand, for a given measurement sequence using the aforementioned method, the values of ranges and signal-to-noise ratios for all possible propagation modes arriving at angles (α i , β i ) are calculated using the adjusted ionosphere model. Those. calculated vectors are defined
Figure 00000039
with error matrices
Figure 00000040
possible m = 0 ... M i propagation modes at i-th angles.

Задача состоит в определении наиболее вероятной дальности, с которой пришли эти сигналы. Она решается для двух возможных ситуаций 1-я возникает при i=1, когда по геометрическим представлениям нет возможности определить число скачков, 2-я при i>1 сужает неопределенность, но требует дополнительных условий.The task is to determine the most probable range with which these signals came. It is solved for two possible situations. The 1st occurs for i = 1, when it is not possible to determine the number of jumps from geometric representations, the 2nd for i> 1 narrows the uncertainty, but requires additional conditions.

В первой ситуации учитывая априорную информацию о произведении коэффициента усиления антенны ИРИ на мощность излучения в направлении на пеленгатор решается задача: принятый мод распространения имеет 1-н или 2-а скачка. Ограничение по количеству скачков связано с максимальной дальностью решения задачи (до 3500 км). Используется критерий максимума апостериорной вероятности, который в случае нормальных распределений преобразуется к видуIn the first situation, taking into account a priori information about the product of the gain of the IRI antenna and the radiation power in the direction to the direction finder, the problem is solved: the adopted propagation mode has a 1-nd or 2-x jump. The limit on the number of jumps is associated with the maximum range of the solution of the problem (up to 3500 km). The criterion of the maximum of posterior probability is used, which in the case of normal distributions is converted to

Figure 00000041
Figure 00000041

где, С константа, зависящая от априорных данных и функций потерь, индекс m=1 соответствует гипотезе одного скачка, 2 - двум скачкам. В случае выполнения неравенства (15) принимается решение о приходе сигнала ИРИ с дальности соответствующей одному скачку, в противном случае с дальности 2-х скачков.where, C is a constant depending on a priori data and loss functions, the index m = 1 corresponds to the hypothesis of one jump, 2 to two jumps. If inequality (15) is satisfied, a decision is made on the arrival of the IRI signal from a range corresponding to one jump, otherwise, from a range of 2 jumps.

При принятии решения о двух скачковом моде уточняется дальность второго скачка нахождением траектории второго скачка, отвечающим условиюWhen deciding on two jump modes, the range of the second jump is specified by finding the trajectory of the second jump that meets the condition

Figure 00000042
Figure 00000042

где а 2 - угол падения второго скачка на поверхность Земли.where a 2 is the angle of incidence of the second jump on the surface of the Earth.

Во второй ситуации для каждого i-ro измерения по критерию (15) определяется соответствие измерения - ситуации односкачкового мода. Если все измерения соответствуют односкачковым модам, то рассчитывается средневзвешенная дальность ИРИIn the second situation, for each i-ro measurement, the criterion (15) determines the conformity of the measurement — the situation of a one-hop mode. If all measurements correspond to single-hop modes, then the average weighted range of the IRI is calculated

Figure 00000043
Figure 00000043

где Di - дальность соответствующая по модельным расчетам i-му измерению,where D i - the range corresponding to the model calculations of the i-th dimension,

σDi - СКО оценки i-ой дальности.σ Di - standard deviation of the i-th range assessment.

Если среди измерений имеются относящиеся как к односкачковым, так и двухскачковым модам, тогда для односкачковых мод рассчитывается средневзвешенная дальность по формуле (16), а для двухскачковых мод ищется вариант попадания второго скачка на дальность D. Если такой вариант находится, то эта D используется в качестве оценки координат ИРИ. В противном случае определяется дальность двухскачкового мода D' наиболее близкая к D и по формуле (16) с учетом переопределенных дисперсий проводится уточнение дальности до ИРИ.If among the measurements there are both single-hop and double-hop modes, then for single-hop modes, the weighted average range is calculated by formula (16), and for double-hop modes, the variant of hitting the second jump on the range D is searched. If this option is found, then this D is used in as an estimate of the coordinates of Iran. Otherwise, the range of the two-hop mode D 'is determined that is closest to D and, using formula (16), taking into account overdetermined dispersions, the range to IRI is refined.

В случае, если все измерения соответствуют многоскачковым модам определяется комбинация соответствующая

Figure 00000044
, где Dv - дальность, рассчитанная по (16) для v-ой допускаемой комбинации скачков. Дальность Dv соответствующая этому минимуму принимается за дальность ИРИ.If all measurements correspond to multi-hop modes, the combination corresponding
Figure 00000044
, where D v is the range calculated by (16) for the v-th permissible combination of jumps. The range D v corresponding to this minimum is taken as the IRI range.

Повышение точности однопозиционного местоопределения источников радиоизлучения впервые достигается за счет осуществления единого целевого подхода, заключающегося в совмещении функций измерения пространственных (азимута и угла места) и энергетических параметров многолучевого поля принимаемого сигнала каждого луча, корректировки модели ионосферной плазмы на основе текущих данных вертикального, наклонного, радиотомографического зондирования и магнитометров, после коррекции которой рассчитываются геофизическая и радиофизическая модели, позволяющие восстановить траекторию каждого луча в ионосфере в измеренных направлениях прихода.Improving the accuracy of single-position location of radio emission sources is achieved for the first time by implementing a unified target approach, which consists in combining the functions of measuring the spatial (azimuth and elevation angle) and energy parameters of the multipath field of the received signal of each beam, adjusting the ionospheric plasma model based on current data of vertical, inclined, and radiotomographic sounding and magnetometers, after correction of which geophysical and radiophysical are calculated clothed, allowing to restore the path of each beam in the ionosphere in the measured directions of arrival.

Существенными отличительными признаками заявляемого технического решения по сравнению с прототипом, обеспечивающими ряд технико-экономических преимуществ, являются:Salient features of the proposed technical solution compared to the prototype, providing a number of technical and economic advantages, are:

- повышение точности измерения пространственных параметров (азимута и угла места) многолучевого поля сигнала каждого луча за счет введения поправок по данным скорректированной модели ионосферной плазмы на основе текущих ионограмм вертикального и наклонного зондирования, а также данных спутниковой томографии и магнитометров;- improving the accuracy of measuring spatial parameters (azimuth and elevation angle) of the multipath signal field of each beam by introducing corrections according to the adjusted model of ionospheric plasma based on current ionograms of vertical and inclined sounding, as well as satellite tomography and magnetometers;

- повышение достоверности параметров ионосферы за пределами ограничений, принятых в прототипе, что позволяет существенно расширить условия применения, фактически довести их до круглогодичного и круглосуточного применения, вне зависимости от вероятности появления слоя F1 и/или проявления спорадического слоя Es, не учитываемого ни в одной прогнозной модели, или от прохождения перемещающихся ионосферных возмущений и других интенсивных неоднородностей различных масштабов;- increasing the reliability of the parameters of the ionosphere beyond the limits adopted in the prototype, which can significantly expand the conditions of use, actually bring them to year-round and round-the-clock use, regardless of the likelihood of the appearance of the F1 layer and / or the manifestation of the sporadic layer Es, not taken into account in any forecast models, or from the passage of moving ionospheric disturbances and other intense inhomogeneities of various scales;

- повышение точности расчета лучевых траекторий распространения радиоволн, особенно вблизи точки поворота луча при произвольной форме профиля электронной концентрации, за счет применения специальной аппроксимации, позволяющей найти высоту отражения с точностью недостижимой для прототипа;- improving the accuracy of calculating the ray paths of propagation of radio waves, especially near the point of rotation of the beam with an arbitrary shape of the electron concentration profile, through the use of a special approximation that allows you to find the reflection height with accuracy unattainable for the prototype;

- устранение аномальных ошибок определения местоположения, вызванных отклонением лучевой траектории, за счет идентификации приходящих модов, используя не только лучевые, но и энергетические, и флуктуационные характеристики распространяющихся сигналов с использованием критерия максимального правдоподобия;- elimination of anomalous positioning errors caused by the deviation of the ray path due to the identification of incoming modes using not only the beam, but also the energy and fluctuation characteristics of the propagating signals using the maximum likelihood criterion;

- однозначного местоопределения источников радиоизлучений за счет специальных мер, обеспечивающих устойчивость решения задачи определения местоположения при коррекции параметров модели ионосферы в процессе решения некорректных обратных задач вертикального и наклонного зондирования ионосферы.- unambiguous determination of the sources of radio emission due to special measures ensuring the stability of the solution of the problem of determining the location when correcting the parameters of the ionosphere model in the process of solving incorrect inverse problems of vertical and inclined sounding of the ionosphere.

Claims (1)

Способ однопозиционного определения координат источников радиоизлучений коротковолнового диапазона радиоволн при ионосферном распространении, включающий прием многолучевого сигнала фазированной антенной решеткой, преобразование множества аналоговых сигналов от каждого антенного элемента в цифровые сигналы, их когерентную обработку с измерением пространственных углов прихода (азимута, угла места) каждого луча принятого сигнала, отличающийся тем, что дополнительно оцениваются энергетические параметры каждого луча, формируемая модель ионосферы корректируется на основе текущих данных вертикального и наклонного зондирования с привлечением данных спутниковой томографии и магнитометров, а также формируются геофизическая и радиофизическая модели, позволяющие восстановить траекторию каждого луча в ионосфере в измеренных направлениях прихода, на основании которых определяют первичные оценки координат засечек предполагаемых источников радиоизлучений, находят совпадение предполагаемых координат для различных вариантов односкачковых и двухскачковых мод, совпавшие засечки объединяются при использовании критерия максимума апостериорной вероятности, позволяющего повысить надежность оценок источников радиоизлучений и однозначно определить местоположение источника радиоизлучений.A one-way method for determining the coordinates of short-wavelength sources of radio waves during ionospheric propagation, including receiving a multipath signal by a phased array, converting a plurality of analog signals from each antenna element into digital signals, coherently processing them with measuring the spatial arrival angles (azimuth, elevation angle) of each ray of the received signal, characterized in that the energy parameters of each beam, formed by The ionosphere delta is adjusted based on current vertical and oblique sounding data using satellite tomography and magnetometers, and geophysical and radiophysical models are formed that allow you to restore the path of each ray in the ionosphere in the measured arrival directions, based on which primary estimates of the coordinates of the serifs of the alleged sources of radio emissions are determined find the coincidence of the estimated coordinates for different variants of single-hop and double-hop modes, coinciding s serifs are combined using a maximum a posteriori probability criterion allowing to increase the reliability of emitters estimates and unambiguously determine the location of radiation source.
RU2019119626A 2019-06-24 2019-06-24 Method for single-position determination of coordinates of sources of high-frequency radio waves during ionospheric propagation RU2713188C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019119626A RU2713188C1 (en) 2019-06-24 2019-06-24 Method for single-position determination of coordinates of sources of high-frequency radio waves during ionospheric propagation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019119626A RU2713188C1 (en) 2019-06-24 2019-06-24 Method for single-position determination of coordinates of sources of high-frequency radio waves during ionospheric propagation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2713188C1 true RU2713188C1 (en) 2020-02-04

Family

ID=69625546

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019119626A RU2713188C1 (en) 2019-06-24 2019-06-24 Method for single-position determination of coordinates of sources of high-frequency radio waves during ionospheric propagation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2713188C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113591991A (en) * 2021-08-02 2021-11-02 中国民航大学 Ionized layer TEC combined prediction method combined with ionized layer chromatography technology
CN113608270A (en) * 2021-07-02 2021-11-05 三门峡职业技术学院 Method for inverting F2 layer parameters by using leading edge of back-sloping ionization diagram
RU2760976C1 (en) * 2021-03-18 2021-12-02 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет им. В.Ф. Уткина" Method for tomographic registration of inclined range and azimuth of position of surface objects and objects above underlying surface
RU2776319C1 (en) * 2022-02-21 2022-07-18 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method and system of magnetometric local navigation

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3641626A1 (en) * 1986-12-05 1988-06-16 Licentia Gmbh Method for determining the location of a transmitter and a direction-finding receiver for such a method
RU2285934C2 (en) * 2004-06-15 2006-10-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственное конструкторское бюро аппаратно-программных систем "Связь" (ФГУП "ГКБ "Связь") Method for one-positional detection of position of decametric transmitters
US7256730B2 (en) * 2002-12-19 2007-08-14 Organisation Intergouvernementale Dite Agence Spatiale Europeenne Method and system for real time navigation using satellite transmitted three-carrier radio signals and ionospheric corrections
CN100380135C (en) * 2005-07-26 2008-04-09 武汉大学 Anti-interference method for ground wave radar in high frequency based on submatrix of antenna
RU2399062C1 (en) * 2009-07-15 2010-09-10 Федеральное государственное научное учреждение "Научно-исследовательский радиофизический институт" Ionospheric probe-direction finder
CN103023586A (en) * 2012-11-16 2013-04-03 中国人民解放军海军航空工程学院 Over-the-horizon radar ionospheric channel model
RU2697433C1 (en) * 2018-10-26 2019-08-14 Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение "Институт Прикладной Геофизики Имени Академика Е.К. Федорова" (Фгбу "Ипг") Method for automatic determination of ionospheric layers parameters by ionograms

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3641626A1 (en) * 1986-12-05 1988-06-16 Licentia Gmbh Method for determining the location of a transmitter and a direction-finding receiver for such a method
US7256730B2 (en) * 2002-12-19 2007-08-14 Organisation Intergouvernementale Dite Agence Spatiale Europeenne Method and system for real time navigation using satellite transmitted three-carrier radio signals and ionospheric corrections
RU2285934C2 (en) * 2004-06-15 2006-10-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственное конструкторское бюро аппаратно-программных систем "Связь" (ФГУП "ГКБ "Связь") Method for one-positional detection of position of decametric transmitters
CN100380135C (en) * 2005-07-26 2008-04-09 武汉大学 Anti-interference method for ground wave radar in high frequency based on submatrix of antenna
RU2399062C1 (en) * 2009-07-15 2010-09-10 Федеральное государственное научное учреждение "Научно-исследовательский радиофизический институт" Ionospheric probe-direction finder
CN103023586A (en) * 2012-11-16 2013-04-03 中国人民解放军海军航空工程学院 Over-the-horizon radar ionospheric channel model
RU2697433C1 (en) * 2018-10-26 2019-08-14 Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение "Институт Прикладной Геофизики Имени Академика Е.К. Федорова" (Фгбу "Ипг") Method for automatic determination of ionospheric layers parameters by ionograms

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2760976C1 (en) * 2021-03-18 2021-12-02 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет им. В.Ф. Уткина" Method for tomographic registration of inclined range and azimuth of position of surface objects and objects above underlying surface
CN113608270A (en) * 2021-07-02 2021-11-05 三门峡职业技术学院 Method for inverting F2 layer parameters by using leading edge of back-sloping ionization diagram
CN113608270B (en) * 2021-07-02 2023-10-24 三门峡职业技术学院 Method for inverting F2 layer parameters by using front edge of inclined return ionization diagram
CN113591991A (en) * 2021-08-02 2021-11-02 中国民航大学 Ionized layer TEC combined prediction method combined with ionized layer chromatography technology
CN113591991B (en) * 2021-08-02 2023-10-17 中国民航大学 Ionosphere TEC combination prediction method combining ionosphere chromatography technology
RU2776319C1 (en) * 2022-02-21 2022-07-18 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method and system of magnetometric local navigation
RU2791285C1 (en) * 2022-07-04 2023-03-07 Евгений Александрович Бабушкин Direction finding method for radiation sources based on the analysis of the correlation matrix of signals in the phased antenna array radar stations with spatial excitation and a digital output feed system
RU2798776C1 (en) * 2022-07-13 2023-06-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЗФ СО РАН) Method for locating sources of decameter radio emission

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Treuhaft et al. The effect of the dynamic wet troposphere on radio interferometric measurements
Lowry et al. Vertical profiling of atmospheric refractivity from ground-based GPS
RU2713188C1 (en) Method for single-position determination of coordinates of sources of high-frequency radio waves during ionospheric propagation
Kurtz et al. Sea ice thickness, freeboard, and snow depth products from Operation IceBridge airborne data
Brunini et al. Temporal and spatial variability of the bias between TOPEX-and GPS-derived total electron content
Mayers et al. Tropical cyclone center fix using CYGNSS winds
Valtr et al. Estimation of the refractivity structure of the lower troposphere from measurements on a terrestrial multiple-receiver radio link
Jin et al. 3-D ionospheric tomography from dense GNSS observations based on an improved two-step iterative algorithm
RU2411538C2 (en) Method of determining error in measuring aircraft velocity with inertial navigation system and onboard navigation system for realising said method
CN109917494A (en) Rainfall forecast method, apparatus, equipment and storage medium
CN112346086A (en) Efficient and rapid occultation forecasting method based on near space floating platform
Marseille et al. Toward scatterometer winds assimilation in the mesoscale HARMONIE model
Mitch et al. Local ionosphere model estimation from dual-frequency global navigation satellite system observables
Wheadon et al. Ionospheric modelling and target coordinate registration for HF sky-wave radars
Liu et al. Evaluation of HY-2A satellite-borne water vapor radiometer with shipborne GPS and GLONASS observations over the Indian Ocean
Liu et al. An improved sea level retrieval method using the differential evolution of GNSS SNR data
Park et al. Performance of ionospheric maps in support of long baseline GNSS kinematic positioning at low latitudes
CN114705158B (en) Cloud base height inversion method based on satellite-borne multichannel radiation imager
Bhardwaj et al. Investigation of Ionospheric Vertical Delay at S1 and L5 Frequencies, Based on Thick-Shell Model Using NavIC System, for Mid Latitude Region of India.
Afraimovich et al. Testing of the transionospheric radiochannel using data from the global GPS network
Schaer GNSS ionosphere analysis at CODE
Thayaparan et al. Effect of Frequency Monitoring System for Over-The-Horizon Radar due to the presence of patches and arcs within the polar cap ionosphere
Berngardt et al. Seasonal and diurnal dynamics of radio noise for 8–20 MHz poleward-oriented mid-latitude radars
Khutorova et al. Sensing of the structure of the radio wave refractivity in the troposphere by a network of satellite navigation system receivers in the city of Kazan
RU2287169C2 (en) Method for radio monitoring