RU93995U1 - HARDWARE-SOFTWARE COMPLEX OF IONOSPHERIC MONITORING - Google Patents

HARDWARE-SOFTWARE COMPLEX OF IONOSPHERIC MONITORING Download PDF

Info

Publication number
RU93995U1
RU93995U1 RU2010105905/22U RU2010105905U RU93995U1 RU 93995 U1 RU93995 U1 RU 93995U1 RU 2010105905/22 U RU2010105905/22 U RU 2010105905/22U RU 2010105905 U RU2010105905 U RU 2010105905U RU 93995 U1 RU93995 U1 RU 93995U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ionosphere
satellite
electron concentration
navigation
radio signals
Prior art date
Application number
RU2010105905/22U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Михайлович Смирнов
Сергей Иванович Тынянкин
Original Assignee
Владимир Михайлович Смирнов
Сергей Иванович Тынянкин
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 Владимир Михайлович Смирнов, Сергей Иванович Тынянкин filed Critical Владимир Михайлович Смирнов
Priority to RU2010105905/22U priority Critical patent/RU93995U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU93995U1 publication Critical patent/RU93995U1/en

Links

Landscapes

  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

Abstract

Аппаратно-программный комплекс ионосферного мониторинга, содержащий антенну для приема радиосигналов от навигационных спутников, выход которой подключен к входу двухчастотного приемника спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС и/или GPS, отличающийся тем, что он снабжен блоком обработки и отображения, вход которого подключен к выходу двухчастотного приемника, при этом блок обработки и отображения выполнен с возможностью определения разности псевдодальностей ΔD12 по комбинации измеренных двухчастотным приемником псевдодальностей DF1 и DF2 до навигационного спутника и значений фаз ψF1 и ψF2 принятых радиосигналов, а также последовательного определения полной электронной концентрации Le вдоль трассы «спутник - наземный пункт» и высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) в области измерения путем применения итерационной процедуры решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов и априорной информации о фоновом состоянии ионосферы. A hardware-software complex for ionospheric monitoring, containing an antenna for receiving radio signals from navigation satellites, the output of which is connected to the input of a dual-frequency receiver of satellite navigation systems of the GLONASS and / or GPS type, characterized in that it is equipped with a processing and display unit, the input of which is connected to the output of a dual-frequency the receiver, while the processing and display unit is configured to determine the difference of the pseudorange ΔD12 by the combination of the pseudorange measured by the two-frequency receiver DF1 and DF2 to the navigation satellite and the phase values ψF1 and ψF2 of the received radio signals, as well as sequentially determining the total electron concentration Le along the satellite – ground point and the altitude profile of the electron concentration of the ionosphere N (z) in the measurement domain by applying an iterative solution procedure inverse problem based on the use of the conjugate gradient method and a priori information about the background state of the ionosphere.

Description

Полезная модель относится к радиотехнике и геофизике, а именно к средствам мониторинга состояния ионосферы и измерения ее параметров с использованием космических аппаратов глобальных навигационных систем. Подобные средства мониторинга и определения параметров ионосферы могут использоваться, например, для оценки максимально применимой частоты с целью планирования сеансов декаметровой (коротковолновой) радиосвязи; краткосрочного прогнозирования катастрофических землетрясений с целью принятия необходимых мер по предупреждению возможных последствий и т.д.The utility model relates to radio engineering and geophysics, and in particular to means for monitoring the state of the ionosphere and measuring its parameters using spacecraft of global navigation systems. Such means of monitoring and determining the parameters of the ionosphere can be used, for example, to estimate the maximum applicable frequency in order to plan sessions of decameter (short-wave) radio communications; short-term forecasting of catastrophic earthquakes in order to take the necessary measures to prevent possible consequences, etc.

Известно устройство измерения полного электронного содержания ионосферы при одночастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации (Патент РФ на полезную модель № 76462, опуб. 20.09.2008), реализованное на базе радионавигационного приемника спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС и/или GPS (НАВСТАР) и включающее в себя: приемную антенну, соединенную со входом радиочастотного блока, радиочастотный блок, соединенный с выходом синтезатора частот и со входом аналого-цифрового процессора, блок вычисления полного электронного содержания, соединенный с выходами аналого-цифрового процессора и синтезатора частот, а также со входом устройства вывода информации.A device is known for measuring the total electronic content of the ionosphere at a single-frequency mode of operation of satellite radio navigation systems (RF Patent for Utility Model No. 76462, publ. 09/20/2008), implemented on the basis of the radio navigation receiver of satellite navigation systems of the GLONASS and / or GPS type (NAVSTAR) and including itself: a receiving antenna connected to the input of the radio frequency block, a radio frequency block connected to the output of the frequency synthesizer and the input of the analog-to-digital processor, the full electronic calculation unit contains connected to the outputs of the analog-digital processor and frequency synthesizer, as well as to the input of the information output device.

Недостатками данного устройства являются: ограниченные функциональные возможности, т.к. устройство позволяет определить лишь полное электронное содержание ионосферы, т.е. интегральную характеристику ионосферы, в то время как решение большинства прикладных задач в области радиосвязи и геофизики требует знание высотного распределения электронной концентрации ионосферы.The disadvantages of this device are: limited functionality, because the device allows you to determine only the full electronic content of the ionosphere, i.e. integral characteristic of the ionosphere, while the solution of most applied problems in the field of radio communications and geophysics requires knowledge of the altitude distribution of the electron concentration of the ionosphere.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство - ионосферный зонд (Патент РФ на изобретение № 2042129, опуб. 20.08.1995 - [1]), реализованное на базе двухчастотной навигационной аппаратуры пользователей спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС и/или GPS (НАВСТАР).Closest to the proposed device is an ionospheric probe (RF Patent for the invention No. 2042129, publ. 08.20.1995 - [1]), implemented on the basis of dual-frequency navigation equipment for users of satellite navigation systems such as GLONASS and / or GPS (NAVSTAR).

Данное устройство включает в себя последовательно соединенные антенну для приема радиосигналов от навигационных спутников и двухчастотный приемник спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС и/или GPS.This device includes a series-connected antenna for receiving radio signals from navigation satellites and a dual-frequency receiver of satellite navigation systems such as GLONASS and / or GPS.

Устройство [1] обеспечивает прием радиосигналов от навигационных спутников на двух когерентных частотах F1 и F2, определение дальностей до навигационного спутника DF1 и DF2, измеренных соответственно на частотах F1 и F2, вычисление по измеренным разностям дальностей (DF1 - DF2) полной электронной концентрации Le вдоль трассы «спутник - наземный пункт» и определение высотного профиля электронной концентрации ионосферы Ne(h) методом решения обратной задачи по Тихонову.The device [1] provides the reception of radio signals from navigation satellites at two coherent frequencies F1 and F2, the determination of the distances to the navigation satellite D F1 and D F2 , measured respectively at frequencies F1 and F2, the calculation of the full range difference (D F1 - D F2 ) electron concentration L e along the satellite – ground track and determining the altitude profile of the electron concentration of the ionosphere Ne (h) by solving the inverse Tikhonov problem.

Недостатками данного устройства являются:The disadvantages of this device are:

1. Значительная погрешность определения высотного профиля электронной концентрации ионосферы Ne(h) вследствие того, что для определения высотного профиля электронной концентрации ионосферы в устройстве [1] используется метод решения обратной задачи по Тихонову, который очень чувствителен к любым ошибкам измерений (Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. - М.: Наука, 1986, с.11, с.105; Андрианов В.А., Смирнов В.М. О точности решения обратной задачи радиопросвечивания тропосферы Земли. // Радиотехника и электроника, 1991, № 6, с.1081-1087 - [2]), а прием радиосигналов от навигационных спутников сопровождается помехами, приводящими к неустойчивости получаемых решений обратной задачи методом регуляризации по Тихонову и, как следствие, значительным ошибкам при определении высотного профиля электронной концентрации ионосферы Ne(h) (Андрианов В.А., Смирнов В.М. Определение высотного профиля электронной концентрации ионосферы Земли по двухчастотным измерениям радиосигналов искусственных спутников Земли. // Радиотехника и электроника, 1993, т.38. № 7, с. 1326-1327 - [3]; Андрианов В.А., Арманд Н.А., Мосин Е.Л., Смирнов В.М. Применение радиосигналов спутниковой навигационной системы для зондирования ионосферы Земли. Препринт ИРЭ РАН, 1995, № 5 (605), 24 с. - [4]).1. A significant error in determining the altitude profile of the electron concentration of the ionosphere Ne (h) due to the fact that to determine the altitude profile of the electron concentration of the ionosphere in the device [1], the method of solving the inverse problem according to Tikhonov is used, which is very sensitive to any measurement errors (A. Tikhonov ., Arsenin V.Ya. Methods for solving ill-posed problems. - M .: Nauka, 1986, p. 11, p. 105; Andrianov V.A., Smirnov V.M. On the accuracy of solving the inverse problem of radio transmission of the Earth's troposphere. // Radio Engineering and Electronics, 1991, No. 6, pp. 1081-1087 - [ 2]), and the reception of radio signals from navigation satellites is accompanied by interference leading to instability of the obtained solutions of the inverse problem by the Tikhonov regularization method and, as a result, significant errors in determining the altitude profile of the electron concentration of the ionosphere Ne (h) (Andrianov V.A., Smirnov V.M. Determination of the altitude profile of the electron concentration of the Earth’s ionosphere from two-frequency measurements of radio signals from artificial Earth satellites. // Radio engineering and electronics, 1993, t. 38. No. 7, p. 1326-1327 - [3]; Andrianov V.A., Armand N.A., Mosin E.L., Smirnov V.M. The use of radio signals from a satellite navigation system for sensing the Earth's ionosphere. Preprint IRE RAS, 1995, No. 5 (605), 24 pp. - [four]).

2. Невозможность автоматизации в устройстве [1] процесса определения параметров ионосферы, т.к. из-за указанной неустойчивости метода решения обратной задачи по Тихонову для получения (восстановления) высотных профилей электронной концентрации ионосферы необходимо участие оператора при подборе параметра регуляризации а с целью минимизации модуля невязки получаемого решения обратной задачи в зависимости от погрешностей определения исходных данных (измерений).2. The impossibility of automation in the device [1] the process of determining the parameters of the ionosphere, because due to the indicated instability of the method for solving the inverse problem according to Tikhonov, to obtain (restore) the altitude profiles of the electron concentration of the ionosphere, it is necessary for the operator to participate in the selection of the regularization parameter a in order to minimize the residual modulus of the obtained solution of the inverse problem depending on the errors in determining the initial data (measurements).

Практическая реализация метода регуляризации по Тихонову при решении обратной задачи радиопросвечивания ионосферы показала, что минимизация модуля невязки трудно выполнима [2-4] и, как следствие, автоматизация процесса определения параметров ионосферы практически невозможна.The practical implementation of the Tikhonov regularization method in solving the inverse problem of radio illumination of the ionosphere has shown that minimizing the residual modulus is difficult [2-4] and, as a result, automation of the process of determining the ionosphere parameters is practically impossible.

3. Значительное время определения высотного профиля электронной концентрации ионосферы Ne(h), поскольку определение высотного профиля электронной концентрации ионосферы в устройстве [1] осуществляется только с участием оператора, то общее время определения параметров ионосферы может достигать единиц часов. В то же время известно (Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. - М.: Наука, 1988, с.404-486; Э.Л.Афраймович, Н.П.Перевалова. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. - Иркутск: ГУ НЦ РВХ СО РАМН, 2006, с. 41), что ионосфера имеет достаточно быстрые (порядка 10…20 минут) вариации, поэтому устройство-прототип не обеспечивает требуемой оперативности определения параметров ионосферы.3. Significant time for determining the altitude profile of the electron concentration of the ionosphere Ne (h), since the determination of the altitude profile of the electron concentration of the ionosphere in the device [1] is carried out only with the participation of the operator, the total time for determining the parameters of the ionosphere can reach units of hours. At the same time, it is known (Brunelli B.E., Namgaladze A.A. Ionosphere Physics. - M.: Nauka, 1988, pp. 404-486; E.L. Afraimovich, N.P. Perevalova. GPS monitoring of the upper Earth’s atmosphere. - Irkutsk: State Research Center RVH SB RAMS, 2006, p. 41), that the ionosphere has rather fast (about 10 ... 20 minutes) variations, therefore the prototype device does not provide the required efficiency of determining the ionosphere parameters.

По этой же причине при работе по всем наблюдаемым одновременно навигационным спутникам (в настоящее время количество одновременно наблюдаемых спутников двух систем ГЛОНАСС и GPS достигает 16) участие оператора с целью определения в реальном масштабе времени высотного профиля электронной концентрации ионосферы Ne(h) физически невозможно.For the same reason, when working on all simultaneously observed navigation satellites (currently the number of simultaneously observed satellites of the two GLONASS and GPS systems reaches 16), the participation of the operator in order to determine in real time the altitude profile of the electron concentration of the ionosphere Ne (h) is physically impossible.

4. Ограниченный диапазон углов наблюдения навигационных спутников, при котором устройство [1] оказывается работоспособным, как следствие, незначительное количество измерений электронной концентрации ионосферы Земли. Используемый в устройстве [1] метод регуляризации Тихонова для решения обратной задачи радиопросвечивания ионосферы Земли позволяет получить решение обратной задачи лишь для ограниченного диапазона углов наблюдения навигационных спутников: приемлемая для практического применения точность определения высотного распределения электронной концентрации ионосферы достигается только в диапазоне зенитных углов наблюдения спутников 50…80 град. (угол места 10-40 град.), а при углах, близких к зениту (0…50 град.), отличия по измерениям незначительны и, следовательно, система решаемых уравнений - вырождается [3].4. A limited range of viewing angles of navigation satellites, at which the device [1] is operational, as a result, a small number of measurements of the electron concentration of the Earth’s ionosphere. The Tikhonov’s regularization method used in the device [1] for solving the inverse problem of radio illumination of the Earth’s ionosphere allows one to obtain a solution of the inverse problem only for a limited range of viewing angles of navigation satellites: acceptable accuracy for practical application of determining the altitude distribution of the electron concentration of the ionosphere is achieved only in the range of zenith viewing angles of satellites 50 ... 80 deg. (elevation angle 10-40 degrees), and at angles close to the zenith (0 ... 50 degrees), the differences in measurements are insignificant and, therefore, the system of equations being solved degenerates [3].

Техническим результатом полезной модели является повышение точности и обеспечение возможности автоматизации процесса определения параметров ионосферы, а также уменьшение времени определения параметров ионосферы при увеличении количества измерений электронной концентрации ионосферы Земли.The technical result of the utility model is to increase the accuracy and provide automation of the process of determining the parameters of the ionosphere, as well as reducing the time to determine the parameters of the ionosphere while increasing the number of measurements of the electron concentration of the Earth's ionosphere.

Технический результат достигается благодаря тому, что аппаратно-программный комплекс ионосферного мониторинга, содержащий антенну для приема радиосигналов от навигационных спутников, выход которой подключен к входу двухчастотного приемника спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС и/или GPS, согласно предложению снабжен блоком обработки и отображения, вход которого подключен к выходу двухчастотного приемника, при этом блок обработки и отображения выполнен с возможностью определения разности псевдодальностей ΔD12 по комбинации измеренных двухчастотным приемником псевдодальностей DF1 и DF2 до навигационного спутника и значений фаз ψF1 и ψF2 принятых радиосигналов, а также последовательного определения полной электронной концентрации Le вдоль трассы «спутник - наземный пункт» и высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) в области измерения путем применения итерационной процедуры решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов и априорной информации о фоновом состоянии ионосферы.The technical result is achieved due to the fact that the hardware-software complex of ionospheric monitoring, containing an antenna for receiving radio signals from navigation satellites, the output of which is connected to the input of a two-frequency receiver of satellite navigation systems such as GLONASS and / or GPS, according to the proposal, is equipped with a processing and display unit, the input of which connected to the output of the dual-frequency receiver, while the processing and display unit is configured to determine the pseudorange difference ΔD 12 by a combination of and measured pseudorange D F1 and D F2 measured by a two-frequency receiver to the navigation satellite and phase values ψ F1 and ψ F2 of the received radio signals, as well as sequential determination of the total electron concentration Le along the satellite – ground point and the altitude profile of the ionosphere electron concentration N (z) in the field of measurement by applying an iterative procedure for solving the inverse problem, based on the use of the conjugate gradient method and a priori information about the background state of the ionosphere.

В отличие от известного устройства в предлагаемое устройство [1] дополнительно введен блок обработки и отображения, который выполняет определение высотного профиля электронной концентрации ионосферы Ne(h) путем применения итерационной процедуры решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов и априорной информации о фоновом состоянии ионосферы (Смирнов В.М. Решение обратной задачи радиопросвечивания ионосферы Земли градиентными методами. // Радиотехника и электроника. 2001, № 1, с.47-52 - [5]).Unlike the known device, the proposed device [1] additionally includes a processing and display unit that determines the altitude profile of the electron concentration of the ionosphere Ne (h) by applying an iterative procedure for solving the inverse problem based on the method of conjugate gradients and a priori information about the background state ionosphere (Smirnov V.M. Solution of the inverse problem of radio illumination of the Earth's ionosphere by gradient methods. // Radio Engineering and Electronics. 2001, No. 1, pp. 47-52 - [5]).

При этом указанная процедура реализована для измерений разности дальностей (DF1 - DF2), получаемой в результате комбинации дальномерных и фазовых измерений, позволяющей получать значения разности дальностей с точностью фазовых измерений, которые имеют более высокую точность по сравнению с другими видами измерений, что объясняется меньшей длиной волны этого сигнала относительно кодового (дальномерного) сигнала.Moreover, this procedure is implemented for measuring the difference of ranges (D F1 - D F2 ), obtained as a result of a combination of rangefinder and phase measurements, which allows to obtain the values of the difference of ranges with the accuracy of phase measurements, which have higher accuracy compared to other types of measurements, which is explained by shorter wavelength of this signal relative to the code (rangefinder) signal.

На фиг.1 представлена схема предложенного аппаратно-программный комплекс ионосферного мониторинга.Figure 1 presents the diagram of the proposed hardware-software complex ionospheric monitoring.

На фиг.2 представлен вид высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z).Figure 2 presents a view of the altitude profile of the electron concentration of the ionosphere N (z).

Блок-схема предложенного аппаратно-программный комплекс ионосферного мониторинга представлена на фиг.1 и включает в себя: антенну 1 для приема радиосигналов от навигационных спутников, двухчастотный приемник 2 спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС и/или GPS, а также блок 3 обработки и отображения. При этом выход антенны 1 подключен к входу двухчастотного приемника 2, а выход последнего подключен к входу блока 3 обработки и отображения.The block diagram of the proposed hardware-software complex of ionospheric monitoring is presented in figure 1 and includes: an antenna 1 for receiving radio signals from navigation satellites, a two-frequency receiver 2 of satellite navigation systems of the GLONASS and / or GPS type, as well as a processing and display unit 3. In this case, the output of the antenna 1 is connected to the input of the dual-frequency receiver 2, and the output of the latter is connected to the input of the processing and display unit 3.

Антенна 1 для приема радиосигналов от навигационных спутников может быть выполнена, например, в виде антенны типа GPS-702-GGL (производитель NovAtel, Канада).Antenna 1 for receiving radio signals from navigation satellites can be made, for example, in the form of an antenna of type GPS-702-GGL (manufacturer NovAtel, Canada).

Двухчастотный приемник 2 спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС и/или GPS может быть выполнен, например, в виде приемника типа ProPak-V3 (производитель NovAtel, Канада).A two-frequency receiver 2 of GLONASS and / or GPS satellite navigation systems can be implemented, for example, as a ProPak-V3 type receiver (manufacturer NovAtel, Canada).

Блок 3 обработки и отображения может быть выполнен, например, в виде стандартного персонального компьютера.Block 3 processing and display can be performed, for example, in the form of a standard personal computer.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.The proposed device operates as follows.

Сигналы от навигационных спутников, излучаемые на двух когерентных частотах F1 и F2, принимаются антенной 1 и поступают на вход двухчастотного приемника 2, в котором происходит стандартная обработка принятых сигналов с целью определения дальностей до того или иного навигационного спутника DF1 и DF2, а также определения значений фаз принятых радиосигналов (измеренных соответственно на частотах F1 и F2).The signals from navigation satellites emitted at two coherent frequencies F1 and F2 are received by antenna 1 and fed to the input of a dual-frequency receiver 2, in which standard processing of the received signals takes place with the aim of determining the distances to a navigation satellite D F1 and D F2 , as well as determining the phase values of the received radio signals (measured at frequencies F1 and F2, respectively).

Выходные сигналы двухчастотного приемника 2, несущие информацию о дальностях до того или иного навигационного спутника DF1 и DF2, измеренных соответственно на частотах F1 и F2 и соответствующих значений фаз принятых радиосигналов, поступают на вход блока 3 обработки и отображения.The output signals of the dual-frequency receiver 2, carrying information about the distances to a navigation satellite D F1 and D F2 , measured respectively at frequencies F1 and F2 and the corresponding phase values of the received radio signals, are input to the processing and display unit 3.

Блок 3 обработки и отображения определяет разность дальностей (DF1 - DF2) по комбинации произведенных дальномерных и фазовых измерений, а также выполняет определение полной электронной концентрации Le вдоль трассы «спутник - наземный пункт» в соответствии с известным выражением [1].The processing and display unit 3 determines the range difference (D F1 - D F2 ) from the combination of the performed rangefinder and phase measurements, and also determines the total electron concentration Le along the satellite – ground point in accordance with the known expression [1].

С учетом полученного значения Le блок 3 обработки и отображения определяет в области измерения высотного профиля электронной концентрации ионосферы Ne(h) путем применения итерационной процедуры [5] решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов и априорной информации о фоновом состоянии ионосферы. При этом в качестве априорной информации о фоновом состоянии ионосферы может использоваться, например, долгосрочный прогноз ионосферы, основанный на какой-либо модели ионосферы, например, IRI-2007 (International Reference Ionosphere).Considering the value obtained L e processing unit 3 and determines the display area in the vertical profile measurement ionospheric electron concentration Ne (h) by applying an iterative procedure [5] of the inverse problem solutions based on the use of the conjugate gradient method and a priori information about the ionosphere background condition. At the same time, for example, a long-term ionosphere forecast based on some model of the ionosphere, for example, IRI-2007 (International Reference Ionosphere), can be used as a priori information about the background state of the ionosphere.

В предлагаемом комплексе определение разности псевдодальностей ΔD12 по комбинации выполненных измерений DF1, DF2 и ψF1, ψF2 производится следующим образом: в каждый i-й момент времени после определения псевдодальностей до навигационного спутника DF1 и DF2, измеренных соответственно на частотах F1 и F2, и соответствующих значений фаз ψF1 и ψF2 принятых радиосигналов, производится определение разности псевдодальностей ΔD12 по формуле:In the proposed complex, the determination of the pseudorange difference ΔD 12 by the combination of measurements D F1 , D F2 and ψ F1 , ψ F2 is performed as follows: at each i-th time point after determining the pseudorange to the navigation satellite D F1 and D F2 , measured respectively at frequencies F1 and F2, and the corresponding phase values ψ F1 and ψ F2 of the received radio signals, the pseudorange difference Δ D12 is determined by the formula:

ΔD12(i)=(λ1ψF1(i) - λ2ψF2(i))+(∑[(λ1ψF1)(i) - λ2ψF2(i)]+[DF1(i) - DF2(i)])M,ΔD 12 (i) = (λ 1 ψ F1 (i) - λ 2 ψ F2 (i)) + (∑ [(λ 1 ψ F1 ) (i) - λ 2 ψ F2 (i)] + [D F1 ( i) - D F2 (i)]) M,

где ∑ - знак суммирования по переменной i от 1 до М;where ∑ is the summation sign over the variable i from 1 to M;

М - количество временных измерений, принятых в обработку;M is the number of time measurements taken into processing;

λ1, λ2 - длина волны излучения соответственно на частотах F1 и F2;λ 1 , λ 2 - radiation wavelength at frequencies F1 and F2, respectively;

Определение полной электронной концентрации Le вдоль трассы «спутник - наземный пункт» осуществляется по формуле:The determination of the total electron concentration Le along the satellite-ground-track route is carried out according to the formula:

, ,

где δ - погрешность фазовых измерений (реально величина погрешности в линейной мере составляет единицы миллиметров).where δ is the error of phase measurements (in reality, the error in a linear measure is units of millimeters).

В предположении сферически слоистой среды (справедливого для ионосферы Земли в пределах интервала наблюдений) разность псевдодальностей ΔD12 связана с функцией высотного распределения электронной концентрации ионосферы N(z) следующим образом:Assuming a spherically layered medium (valid for the Earth’s ionosphere within the observation interval), the pseudorange difference ΔD 12 is related to the height distribution function of the electron concentration of the ionosphere N (z) as follows:

. .

где Z1 и Z2 - предполагаемые высоты нижней и верхней границы ионосферы соответственно,where Z 1 and Z 2 are the estimated heights of the lower and upper boundaries of the ionosphere, respectively,

ϑ - зенитный угол наблюдения спутника с пункта измерений в каждый i-й момент времени,ϑ - zenith angle of observation of the satellite from the point of measurement at every i-th point in time,

а - радиус Земли,a is the radius of the Earth,

z - текущая высота от поверхности Земли.z is the current height from the surface of the Earth.

Решение этого уравнения относительно неизвестной (искомой) функции N(z) относится к классу некорректно поставленных задач - определению функции N(z) по измеренному значению влияния среды распространения - и осуществляется методом сопряженных градиентов [5, 6].The solution of this equation with respect to the unknown (sought) function N (z) belongs to the class of incorrectly posed problems — the determination of the function N (z) from the measured value of the influence of the propagation medium — and is carried out by the conjugate gradient method [5, 6].

В операторном виде это уравнение можно переписать в следующем видеIn the operator form, this equation can be rewritten as follows

Aφ=U,Aφ = U,

где А - интегральный оператор; φ - функция, описывающая распределение параметров среды распространения (распределение электронной концентрации); U - влияние среды, в данном случае разность псевдодальностей.where A is an integral operator; φ is a function that describes the distribution of the parameters of the propagation medium (distribution of electron concentration); U is the influence of the medium, in this case the difference of pseudorange.

При этом решение приведенного уравнения относительно неизвестной функции N(z) сводится к поиску такой функции φ, при которой функционал достигает минимума, значение которого определяется в основном погрешностью фазовых измерений.In this case, the solution of the above equation with respect to the unknown function N (z) is reduced to finding a function φ for which the functional reaches a minimum, the value of which is determined mainly by the error of phase measurements.

Суть метода сопряженных градиентов заключается в следующем. Элементы φi минимизирующей последовательности определяются по следующей схеме. Каждый последующий элемент последовательности φi+1 связан с предыдущим φi соотношением φi+1iipi, где Pi=-gradϕ(zi)+βipi-1 - направление градиента функции, р0=-gradϕ(z0), , - величина оптимального шага вдоль направления градиента, z0 - нулевое приближение решения задачи (в общем случае z0 - произвольная допустимая точка), 〈〉 означает скалярное произведение.The essence of the conjugate gradient method is as follows. Elements φ i of the minimizing sequence are determined as follows. Each subsequent element of the sequence φ i + 1 is associated with the previous φ i by the relation φ i + 1 = φ ii p i , where P i = -gradϕ (z i ) + β i p i-1 is the direction of the function gradient, p 0 = -gradϕ (z 0 ), , is the value of the optimal step along the direction of the gradient, z 0 is the zero approximation of the solution to the problem (in the general case, z 0 is an arbitrary admissible point), 〈〉 means the scalar product.

В качестве априорной информации о фоновом состоянии ионосферы (в качестве нулевого приближения решения задачи) может использоваться, например, долгосрочный прогноз ионосферы, основанный на какой-либо модели ионосферы, например, IRI-2007 (International Reference Ionosphere).As a priori information on the background state of the ionosphere (as a zero approximation of the solution to the problem), for example, a long-term forecast of the ionosphere based on some model of the ionosphere, for example, IRI-2007 (International Reference Ionosphere), can be used.

При достижении минимума функционала элементы φi минимизирующей последовательности представляют собой искомое решение и соответствуют высотному профилю электронной концентрации ионосферы N(z).Upon reaching the minimum of the functional, the elements φ i of the minimizing sequence represent the desired solution and correspond to the altitude profile of the electron concentration of the ionosphere N (z).

Пример определения параметров ионосферы приведен ниже.An example of determining the ionosphere parameters is given below.

После приема антенной 1 радиосигналов (на двух когерентных частотах F1 и F2) и их обработки в двухчастотном приемнике 2 спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС и/или GPS в блоке 3 определяется совокупность соответствующих значений псевдодальностей DF1 и DF2, а также значений фаз ψF1 и ψF2 для каждого навигационного спутника, находящегося в зоне видимости приемника. Пример исходного массива данных для одного спутника приведен в таблице.After the antenna 1 receives radio signals (at two coherent frequencies F1 and F2) and processes them in a two-frequency receiver 2 of GLONASS and / or GPS satellite navigation systems, in block 3, a set of corresponding pseudorange values D F1 and D F2 , as well as phase values ψ F1, is determined and ψ F2 for each navigation satellite within sight of the receiver. An example of the initial data array for one satellite is given in the table.

ТаблицаTable Время, UT час/мин/секTime, UT hour / min / s Время, секTime, sec DF1, мD F1, m DF2, мD F2 , m ψF1, радψ F1 , glad ψF2, радψ F2 , glad Угол места, градElevation, hail Азимут, градAzimuth, hail 17:57:5717:57:57 64677.064677.0 21750210.30721750210.307 21750211.68321750211.683 114298170.044114298170.044 89063496.90289063496.902 4040 3232 17:57:5817:57:58 64678.064678.0 21750373.14321750373.143 21750375.05421750375.054 114299024.913114299024.913 89064163.03489064163.034 4040 3232 17:57:5917:57:59 64679.064679.0 21750536.66221750536.662 21750538.74421750538.744 114299880.412114299880.412 89064829.64289064829.642 4040 3232 17:58:0017:58:00 64680.064680.0 21750700.51121750700.511 21750702.15121750702.151 114300736.564114300736.564 89065496.74989065496.749 4040 3232 17:58:0117:58:01 64681.064681.0 21750864.18121750864.181 21750865.60221750865.602 114301593.350114301593.350 89066164.40889066164.408 4040 3232 17:58:0217:58:02 64682.064682.0 21751027.57721751027.577 21751029.20921751029.209 114302450.872114302450.872 89066832.60389066832.603 4040 3232 17:58:0317:58:03 64683.064683.0 21751191.26321751191.263 21751194.27721751194.277 114303309.205114303309.205 89067501.42689067501.426 4040 3232 17:58:0417:58:04 64684.064684.0 21751354.47721751354.477 21751358.00921751358.009 114304168.226114304168.226 89068170.77989068170.779 4040 3232 17:58:0517:58:05 64685.064685.0 21751518.05221751518.052 21751520.91421751520.914 114305027.841114305027.841 89068840.61589068840.615 4040 3232 17:58:0617:58:06 64686.064686.0 21751682.49521751682.495 21751684.01421751684.014 114305888.153114305888.153 89069510.98489069510.984 4040 3232 17:58:0717:58:07 64687.064687.0 21751847.37721751847.377 21751847.53421751847.534 114306749.144114306749.144 89070181.86589070181.865 4040 3232 17:58:0817:58:08 64688.064688.0 21752011.45821752011.458 21752010.96221752010.962 114307610.897114307610.897 89070853.37089070853.370 4040 3232 17:58:0917:58:09 64689.064689.0 21752175.14321752175.143 21752174.56321752174.563 114308473.283114308473.283 89071525.36889071525.368 4040 3232 17:58:1017:58:10 64690.064690.0 21752338.69821752338.698 21752339.80321752339.803 114309336.345114309336.345 89072197.88789072197.887 4040 3232 17:58:1117:58:11 64691.064691.0 21752502.60221752502.602 21752503.53221752503.532 114310199.969114310199.969 89072870.89189072870.891 4040 3232 17:58:1217:58:12 64692.064692.0 21752666.66421752666.664 21752668.40921752668.409 114311064.338114311064.338 89073544.40689073544.406 4040 3232 17:58:1317:58:13 64693.064693.0 21752831.12821752831.128 21752832.55721752832.557 114311929.355114311929.355 89074218.45989074218.459 4040 3232 17:58:1417:58:14 64694.064694.0 21752995.98421752995.984 21752997.24321752997.243 114312794.974114312794.974 89074892.97289074892.972 4040 3232 17:58:1517:58:15 64695.064695.0 21753161.65121753161.651 21753163.61121753163.611 114313661.305114313661.305 89075568.01889075568.018 4040 3232 17:58:1617:58:16 64696.064696.0 21753325.77721753325.777 21753328.60721753328.607 114314528.453114314528.453 89076243.71389076243.713 4040 3232 17:58:1717:58:17 64697.064697.0 21753490.99621753490.996 21753493.55321753493.553 114315396.396114315396.396 89076920.03989076920.039 4040 3232 17:58:1817:58:18 64698.064698.0 21753656.43021753656.430 21753658.29021753658.290 114316265.154114316265.154 89077596.98889077596.988 4040 3232 17:58:1917:58:19 64699.064699.0 21753822.54821753822.548 21753824.15821753824.158 114317134.608114317134.608 89078274.48889078274.488 4040 3232 17:58:2017:58:20 64700.064700.0 21753988.24021753988.240 21753990.23121753990.231 114318004.706114318004.706 89078952.46789078952.467 4040 3232 17:58:2117:58:21 64701.064701.0 21754154.30721754154.307 21754157.07721754157.077 114318875.529114318875.529 89079631.02389079631.023 4040 3232 17:58:2217:58:22 64702.064702.0 21754320.59321754320.593 21754322.76221754322.762 114319747.023114319747.023 89080310.11789080310.117 4040 3232

По приведенной совокупности значений DF1, DF2, ψF1 и ψF2 в блоке 3 осуществляется определение высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) описанным выше образом.Given the set of values of D F1 , D F2 , ψ F1 and ψ F2 in block 3, the altitude profile of the electron concentration of the ionosphere N (z) is determined in the manner described above.

Вид высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z), полученный с помощью предлагаемого устройства по результатам обработки вышеприведенных значений DF1, DF2, ψF1 и ψF2, представлен на фиг.2.A view of the altitude profile of the electron concentration of the ionosphere N (z), obtained using the proposed device according to the results of processing the above values of D F1 , D F2 , ψ F1 and ψ F2 , is presented in figure 2.

Таким образом, благодаря заявленной совокупности существенных признаков достигается технический результат, заключающийся в повышении точности и обеспечении возможности автоматизации процесса определения параметров ионосферы, а также уменьшении времени определения параметров ионосферы при увеличении количества измерений электронной концентрации ионосферы Земли.Thus, due to the claimed combination of essential features, a technical result is achieved consisting in increasing the accuracy and providing the possibility of automating the process of determining the parameters of the ionosphere, as well as reducing the time for determining the parameters of the ionosphere with an increase in the number of measurements of the electron concentration of the Earth's ionosphere.

Повышение точности определения параметров ионосферы достигается за счет:Improving the accuracy of determining the parameters of the ionosphere is achieved by:

- использования в качестве исходных данных для определения высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) результатов измерений разности псевдодальностей ΔD12, получаемых в результате комбинации дальномерных и фазовых измерений и позволяющих оценивать значения разности псевдодальностей ΔD12 с более высокой точностью;- use as initial data for determining the altitude profile of the electron concentration of the ionosphere N (z) the results of measurements of the difference of pseudorange ΔD 12 , obtained as a result of a combination of rangefinder and phase measurements and allowing to evaluate the value of the difference of pseudorange ΔD 12 with higher accuracy;

- уменьшения погрешности определения высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) вследствие использования в предлагаемом устройстве итерационной процедуры решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов и априорной информации о фоновом состоянии ионосферы, которая менее чувствительна к любым ошибкам измерений по сравнению с методом решения обратной задачи по Тихонову [2, 5, 6].- reducing the error in determining the altitude profile of the electron concentration of the ionosphere N (z) due to the use of the iterative procedure in the proposed device to solve the inverse problem based on the use of the conjugate gradient method and a priori information on the background state of the ionosphere, which is less sensitive to any measurement errors compared to the solution method inverse problem according to Tikhonov [2, 5, 6].

Обеспечение возможности автоматизации процесса определения параметров ионосферы достигается за счет использования в предлагаемом устройстве итерационной процедуры решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов, который в отличие от метода решения обратной задачи по Тихонову, не требует участия оператора при его реализации, т.к. существуют стандартные математические подходы к автоматическому вычислению градиентов функций [5, 6].The possibility of automating the process of determining the parameters of the ionosphere is achieved through the use of the proposed iterative procedure for solving the inverse problem, based on the use of the conjugate gradient method, which, unlike the method of solving the inverse problem according to Tikhonov, does not require operator participation in its implementation, because There are standard mathematical approaches to the automatic calculation of function gradients [5, 6].

Уменьшение времени определения параметров ионосферы достигается за счет обеспечения возможности автоматизации процесса определения высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) путем применения итерационной процедуры решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов. Предлагаемое устройство обеспечивает на практике уменьшение времени определения параметров ионосферы с единиц часов до 1…2 минут при количестве одновременно наблюдаемых спутников до 12…16, что позволяет обеспечить требуемую оперативность определения параметров ионосферы не только в условиях меленных, но в условиях быстрых вариаций ионосферы.The reduction of the time for determining the ionosphere parameters is achieved by providing the possibility of automating the process of determining the altitude profile of the electron concentration of the ionosphere N (z) by applying an iterative procedure for solving the inverse problem based on the use of the conjugate gradient method. The proposed device provides in practice a reduction in the time of determining the parameters of the ionosphere from units of hours to 1 ... 2 minutes with the number of simultaneously observed satellites to 12 ... 16, which allows us to provide the required efficiency in determining the parameters of the ionosphere, not only under conditions of mellen, but in conditions of fast variations of the ionosphere.

Увеличение количества измерений электронной концентрации ионосферы Земли достигается за счет:An increase in the number of measurements of the electron concentration of the Earth's ionosphere is achieved by:

- уменьшения времени определения параметров ионосферы в каждой области проводимых измерений (для каждого спутника) путем автоматизации процесса определения высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) и, как следствие, увеличения количества измерений аз единицу времени;- reducing the time of determining the ionosphere parameters in each region of measurements (for each satellite) by automating the process of determining the altitude profile of the electron concentration of the ionosphere N (z) and, as a result, increasing the number of measurements a unit time;

- расширения диапазона углов наблюдения навигационных спутников, при котором предлагаемое устройство оказывается работоспособным. Предлагаемое устройство в отличие от ионосферного зонда [1] за счет применения итерационной процедуры решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов, оказывается работоспособным практически во всем диапазоне зенитных углов наблюдения спутников (от 0 град, до 80 град.).- expanding the range of viewing angles of navigation satellites, at which the proposed device is operational. The proposed device, unlike the ionospheric probe [1], due to the application of an iterative procedure for solving the inverse problem based on the conjugate gradient method, turns out to be operable in almost the entire range of satellite zenith angles of observation (from 0 degrees to 80 degrees).

Claims (1)

Аппаратно-программный комплекс ионосферного мониторинга, содержащий антенну для приема радиосигналов от навигационных спутников, выход которой подключен к входу двухчастотного приемника спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС и/или GPS, отличающийся тем, что он снабжен блоком обработки и отображения, вход которого подключен к выходу двухчастотного приемника, при этом блок обработки и отображения выполнен с возможностью определения разности псевдодальностей ΔD12 по комбинации измеренных двухчастотным приемником псевдодальностей DF1 и DF2 до навигационного спутника и значений фаз ψF1 и ψF2 принятых радиосигналов, а также последовательного определения полной электронной концентрации Le вдоль трассы «спутник - наземный пункт» и высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(z) в области измерения путем применения итерационной процедуры решения обратной задачи, основанной на использовании метода сопряженных градиентов и априорной информации о фоновом состоянии ионосферы.
Figure 00000001
A hardware-software complex for ionospheric monitoring, containing an antenna for receiving radio signals from navigation satellites, the output of which is connected to the input of a dual-frequency receiver of satellite navigation systems of the GLONASS and / or GPS type, characterized in that it is equipped with a processing and display unit, the input of which is connected to the output of a dual-frequency receiver, wherein the processing and display unit configured to determine pseudorange difference ΔD 12 of two-frequency receiver combination measured pseudoranges nd D F1 and D F2 to a navigation satellite and ψ F1 the phase values and ψ F2 received radio signals, and sequentially determining the total electron concentration L e along the track "satellite - ground station" and the altitude profile of the electron density of the ionosphere N (z) in the measuring region by applying an iterative procedure for solving the inverse problem, based on the use of the conjugate gradient method and a priori information about the background state of the ionosphere.
Figure 00000001
RU2010105905/22U 2010-02-19 2010-02-19 HARDWARE-SOFTWARE COMPLEX OF IONOSPHERIC MONITORING RU93995U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010105905/22U RU93995U1 (en) 2010-02-19 2010-02-19 HARDWARE-SOFTWARE COMPLEX OF IONOSPHERIC MONITORING

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010105905/22U RU93995U1 (en) 2010-02-19 2010-02-19 HARDWARE-SOFTWARE COMPLEX OF IONOSPHERIC MONITORING

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU93995U1 true RU93995U1 (en) 2010-05-10

Family

ID=42674455

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010105905/22U RU93995U1 (en) 2010-02-19 2010-02-19 HARDWARE-SOFTWARE COMPLEX OF IONOSPHERIC MONITORING

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU93995U1 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2445652C1 (en) * 2010-06-28 2012-03-20 Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы") Method of monitoring vertical distribution of ionospheric electron concentration
RU2502080C2 (en) * 2011-07-07 2013-12-20 Александр Васильевич Тертышников Method of probing ionosphere, troposphere, geologic movements and set for implementing said method
RU2547236C1 (en) * 2013-11-18 2015-04-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") Device for determining direction to signal source
RU2551437C2 (en) * 2013-04-09 2015-05-27 Юрий Вячеславович Ивлиев Light-emitting diode ceiling lighting fixture
RU2662014C1 (en) * 2017-09-18 2018-07-23 Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение "Институт Прикладной Геофизики Имени Академика Е.К. Федорова" (Фгбу "Ипг") Method of ionosphere radiosounding by spiral electromagnetic waves
RU2693842C1 (en) * 2018-07-30 2019-07-05 Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение "Институт Прикладной Геофизики Имени Академика Е.К. Федорова" (Фгбу "Ипг") Method for probing the ionosphere and troposphere

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2445652C1 (en) * 2010-06-28 2012-03-20 Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы") Method of monitoring vertical distribution of ionospheric electron concentration
RU2502080C2 (en) * 2011-07-07 2013-12-20 Александр Васильевич Тертышников Method of probing ionosphere, troposphere, geologic movements and set for implementing said method
RU2551437C2 (en) * 2013-04-09 2015-05-27 Юрий Вячеславович Ивлиев Light-emitting diode ceiling lighting fixture
RU2547236C1 (en) * 2013-11-18 2015-04-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") Device for determining direction to signal source
RU2662014C1 (en) * 2017-09-18 2018-07-23 Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение "Институт Прикладной Геофизики Имени Академика Е.К. Федорова" (Фгбу "Ипг") Method of ionosphere radiosounding by spiral electromagnetic waves
RU2693842C1 (en) * 2018-07-30 2019-07-05 Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение "Институт Прикладной Геофизики Имени Академика Е.К. Федорова" (Фгбу "Ипг") Method for probing the ionosphere and troposphere

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10078140B2 (en) Navigation satellite system positioning involving the generation of advanced correction information
RU2421753C1 (en) Method of determining ionosphere characteristics and device for realising said method
CN104102822B (en) A kind of multifrequency GNSS observations stochastic behaviour modeling method
RU2502080C2 (en) Method of probing ionosphere, troposphere, geologic movements and set for implementing said method
RU93995U1 (en) HARDWARE-SOFTWARE COMPLEX OF IONOSPHERIC MONITORING
CN108317949A (en) A kind of RTK high-precision differences positioning deformation monitoring system and method
Li et al. Estimation of snow depth using pseudorange and carrier phase observations of GNSS single-frequency signal
Naesset et al. Assessing point accuracy of DGPS under forest canopy before data acquisition, in the field and after postprocessing
Tomaštík et al. Practical applicability of processing static, short-observation-time raw GNSS measurements provided by a smartphone under tree vegetation
CN105974440B (en) A kind of method and apparatus obtaining observation noise
Strangeways et al. On determining spectral parameters, tracking jitter, and GPS positioning improvement by scintillation mitigation
Paziewski Multi-constellation single-frequency ionospheric-free precise point positioning with low-cost receivers
CN114879222A (en) Global ionosphere modeling method based on self-adaptive random model
CN117706902A (en) Clock stability evaluation method, device and medium
Gaglione et al. Benefit of GNSS multiconstellation in position and velocity domain
Braun et al. Development of a water vapor tomography system using low cost L1 GPS receivers
CN116699671A (en) Ionosphere amplitude flicker index calculation method based on random forest regression
RU2442996C1 (en) Method for locating satellite communication earth station
Innac et al. Multi-GNSS single frequency precise point positioning
Shang et al. A single difference-based multi-GNSS inter-system model with consideration of inter-frequency bias and inter-system bias
Krawinkel et al. Exploring the Technical Limits of GNSS-based Frequency Transfer
Cho et al. Assessment of the Quality of Raw Measurement from Samsung SOC GNSS Chip and Analysis of Positioning Accuracy Using PPP
Schaer GNSS ionosphere analysis at CODE
Pudlovskiy Ionospheric slant total electron content determination from multi-frequency GNSS signals carrier-phase measurements
RU2626404C1 (en) Determination method of the nonuniform ionosphere electron density high level profile

Legal Events

Date Code Title Description
MG1K Anticipatory lapse of a utility model patent in case of granting an identical utility model

Ref document number: 2010105907

Country of ref document: RU

Effective date: 20110620