ИОНОСФЕРНЫЙ ЗОНД Российский патент 1995 года по МПК G01N27/00 

Изобретение относится к приборостроению, в частности к приборам для зондирования, служащим для измерения электронной концентрации.

Известны устройства, предназначенные для экспериментального определения распределения электронной концентрации в ионосфере ионосферные зонды (ионозонды). Данный параметр является наиболее полной характеристикой ионосферы для большинства задач, связанных с распространением радиоволн [1]
Принципиальной основой аппаратурных решений радиозондирования ионосферы является наиболее часто применяемая на практике аппаратура вертикального зондирования (ВЗ). При этом аппаратурные решения для вертикального зондирования фактически на каждом этапе развития определяли схемы наклонного, внешнего, возвратно-наклонного и трансионосферного зондирования. С помощью зонда, установленного на борту космического аппарата (КА), можно проводить подспутниковое зондирование ионосферы по трассам, где пролетает КА. Информацию об электронной концентрации от 100 до 600-800 км дают установки некогерентного рассеяния (НР), работа которых основана на измерении сигнала, рассеянного на различных неоднородностях в ионосфере при излучении с Земли импульса радиоволн на фиксированной частоте [1]
Наиболее близким к предлагаемому ионозонду является дисперсионный интерферометр, устанавливаемый на геофизических ракетах типа "Вертикаль" и МР-12. Передатчик интерферометра, установленный на борту ракеты, излучает две когерентные радиоволны с частотами 144 и 48 МГц. На Земле регистрируется изменение разности фаз между ними, по которой вычисляется электронная концентрация вдоль траектории полета ракеты.

Недостатком аппаратуры ВЗ является то, что с ее помощью измеряются параметры электронной концентрации только до высоты глобального максимума ионизации 250-350 км и лишь над точкой расположения данной аппаратуры. Автоматические ионосферные станции, основанные на результатах ВЗ, размещались на территории бывшего СССР примерно в 40 пунктах.

С помощью ионозонда, установленного на борту КА или ракеты, можно проводить зондирование ионосферы и определять электронную концентрацию лишь вдоль траектории полета, причем в первом случае информация об областях, расположенных ниже главного ионосферного максимума, будет при зондировании сверху недоступна, а во втором случае электронная концентрация измеряется только в области полета ракеты, причем необходимо учитывать, что проведение данного эксперимента дорогостоящее мероприятие.

Установки НР сложны, дороги (всего в мире насчитывается около 10 таких установок) и не могут функционировать в режиме непрерывной работы.

Целью изобретения является повышение количества измерений электронной концентрации ионосферы Земли, повышение полноты охвата областей зондирования ионосферы и снижение затрат на получение информации об электронной концентрации.

Цель достигается путем применения известных космических навигационных систем (КНС) типа "НАВСТАР" (США) или "ГЛОНАСС" (Россия) [2] впервые в качестве ионозондов.

Вышеуказанные КНС являются системами глобального (из каждой точки поверхности Земли наблюдаются при полностью развернутой системе из 24 спутников от 5 до 11 навигационных КА), непрерывного и высокоточного навигационно-временного обеспечения при практически мгновенной выдаче определяемых параметров координат и скорости объекта, оснащенного навигационной аппаратурой пользователя (НАП), поправки по времени к местному хранителю времени и в настоящее время находятся на этапе опытной эксплуатации. Для решения пространственно-временной задачи требуется работа как минимум по четырем навигационным КА. Парк навигационной аппаратуры пользователей данных систем быстрыми темпами пополняется. Так, в США планируется только для военных пользователей изготовить до конца 90-х г. 20 тыс. комплектов аппаратуры.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что каждый КА систем "НАВСТАР" или "ГЛОНАСС" излучает на двух когерентных частотах радионавигационные сигналы, что позволяет практически полностью скомпенсировать погрешности, обусловленные ионосферной задержкой, попутно по разностям измеренных дальностей определяя интегральную электронную концентрацию на трассе НАП КА по формуле
I_e= N_e(h)dl K
(1) где I_e интегральная электронная концентрация;
dl элемент пути L распространения радиоволны в ионосфере;
N_e(h) профиль электронной концентрации;
h текущая высота луча радиоволны;
D_f1 и D_f2 значения измеренных дальностей от НАП до КА на частотах f₁ и f₂ соответственно.

Далее, используя измеренные значения разностей дальностей и специальные математические методы, основанные на решении обратных задач [3] можно определить высотные профили электронной концентрации, причем учитывая, что высота полета рассматриваемых навигационных спутников порядка 19-20 тыс.км по всей толще ионосферы, включая ее протоносферную часть. Уравнение (1) представляет собой интегральное уравнение 1-го рода, решение которого относительно подынтегральной функции N_e(h) относится к классу некорректно поставленных задач. В общем виде алгоритм решения аналогичного типа задач подробно изложен в [4]
Двухчастотная навигационная аппаратура пользователей КНС "НАВСТАР" или "ГЛОНАСС" позволяет относительно просто (не требуется специальной аппаратуры для зондирования), без больших затрат (требуется дополнительное математическое обеспечение для вычислительного устройства НАП, основные методические идеи которого изложены в [3]), оперативно (в реальном масштабе времени), наряду с выполнением целевой задачи навигационно-временного обеспечения объекта, определять электронную концентрацию по всей толще ионосферы и в больших объемах измерительной информации, причем непрерывно (пока навигационный КА находится в зоне видимости НАП, а это может быть до 5 ч), а также за счет большой частоты проведения измерений порядка одного измерения за единицы секунд) в любой точке Земного шара, где находятся объекты (в том числе корабли и самолеты), оборудованные двухчастотной НАП, одновременно по 4-11 направлениям (линиям визирования) вместо одного, как при использовании аппаратуры вертикального, наклонного, возвратно-наклонного и трансионосферного зондирования.

Использование: изобретение относится к приборостроению, в частности к приборам для зондирования, служащим для измерения электронной концентрации. Сущность изобретения: с целью повышения количества измерений электронной концентрации ионосферы Земли, повышение полноты охвата областей зондирования ионосферы и снижения затрат на получение информации об электронной концентрации применяется известное ранее устройство двухчастотная навигационная аппаратура пользователей космических навигационных систем типа "НАВСТАР" (США) или "ГЛОНАСС" (Россия) в качестве ионосферного зонда.

Применение двухчастотной навигационной аппаратуры пользователей космических навигационных систем типа "Навстар" и/или "Глонасс" в качестве ионосферного зонда.