УСТРОЙСТВО ПЕЛЕНГАЦИИ ИССКУСТВЕННЫХ ИОНОСФЕРНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ Российский патент 2014 года по МПК G01S13/95 

Изобретение относится к радиолокации, радиосвязи и радионавигации и может быть использовано для радиозондирования ионосферы, определения интенсивности ионосферных неоднородностей в условиях проявления диффузности и пеленгации искусственных ионосферных образований.

Уровень техники

Известно, что воздействие на ионосферу мощного (Р>1 МВт) излучения KB диапазона, приводит к возникновению искусственных ионосферных образований (ИИО), оказывающих существенное влияние на распространение радиоволн [1, 2].

Наличие искусственных ионосферных образований можно определить по возрастанию интенсивности неоднородностей β_и на трассе РРВ.

Известен способ определения параметров ионосферы, реализованный в устройстве измерения полного электронного содержания ионосферы при двухчастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации [3] на базе двухчастотного радионавигационного приемника спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС и/или GPS (НАВСТАР) и включающий в себя: прием радиосигналов с частотами F1 и F2 от навигационных спутников, усиление и частотную селекцию, их аналого-цифровое преобразование, формирование оценок фазового времени τ_ф(t_k) распространения сигнала, расчет фазового пути сигнала (псевдодальности) Д_ф(t_k)=сτ_ф(t_k) и определение текущего значения полного электронного содержания ионосферы I(t_m) по известным выражениям.

Устройство включает: приемную антенну, соединенную с входом двухчастотного радионавигационного приемника, радионавигационный приемник соединен с выходом блока опорного генератора и синтезатора частот и со входом аналого-цифрового процессора, аналого-цифровой процессор соединен с выходом блока опорного генератора и синтезатора частот и со входом вычислителя фазовых путей сигнала, вычислитель фазовых путей сигнала соединен со входом вычислителя полного электронного содержания ионосферы, который соединен с выходом блока опорного генератора и синтезатора частот и с входом устройства вывода информации.

Недостатком данного способа и устройства являются ограниченные функциональные возможности, так как способ позволяет определить лишь полное электронное содержание ионосферы и не позволяет произвести оценку высотного распределения электронной концентрации ионосферы, определить интенсивность ионосферных неоднородностей в условиях проявления диффузности и произвести пеленгацию локальных областей с электронной концентрацией, отличной от фоновой, т.е. искусственных ионосферных образований.

Наиболее близким по своей сути к предложенному является способ определения параметров ионосферы, реализованный в устройстве двухчастотного измерения интенсивности неоднородностей ионосферы [4] и включающий в себя: прием радиосигналов с частотами F1 и F2 от навигационных спутников, усиление и частотную селекцию, их аналого-цифровое преобразование, формирование оценок фазового времени τ_ф(t_k) распространения сигнала, расчет фазового пути сигнала (псевдодальности) Д_ф(t_k)=сτ_ф(t_k) и определение текущего значения полного электронного содержания ионосферы I(t_m), флуктуации полного электронного содержания ионосферы ΔI и расчет интенсивности неоднородностей ионосферы β_и по известным выражениям.

Основным недостатком способа и устройства также является невозможность произвести пеленгацию искусственных ионосферных образований. Однако в данном способе имеется техническая возможность выделения из навигационного сообщения информации о номере и координатах навигационного спутника на орбите в текущий момент времени, что способствует пеленгации искусственных ионосферных образований.

Задачей заявленного изобретения является разработка способа, позволяющего произвести пеленгацию искусственных ионосферных образований.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности определения полного электронного содержания в условиях диффузности и получение достаточно полной информации о состоянии ионосферы в заданном направлении, что позволит на основе данных сведений производить адаптацию средств радиосвязи, радиолокации и радионавигацию по номиналу рабочей частоты, ширине спектра сигнала, параметрам антенн и мощности радиоизлучения.

Раскрытие изобретения

Для разработки заявленного способа сначала проанализируем известный способ, реализованный в устройстве двухчастотного измерения интенсивности неоднородностей ионосферы [4]. Согласно ему, с помощью двухчастотного приемника сигналов GPS/ГЛОНАСС принимают электромагнитные колебания, излучаемые навигационными спутниками; на основе вектора оценки цифровых сигналов y(t_j), состоящего из сигналов j=1…m видимых навигационных спутников, поступающего с двухчастотного приемника с шагом Т_k=t_k-t_k-l=0,02 с вычисляют фазовое время распространения τ_ф1,2(t_k), фазовый путь сигнала Д_ф1,2(t_k)=сτ_ф1,2(t_k), полное электронное содержание (ПЭС) ионосферы $$\text{I}=\overline{\text{I}}+\Delta \text{I}$$ ; на основе ПЭС определяют его математическое ожидание (среднее значение) $$\overline{\text{I}}$$ и среднеквадратическое отклонение (СКО) σ_ΔI, после чего согласно выражению $${\beta }_{и}=\frac{{\sigma }_{\Delta I}}{\overline{I}}k$$ , причем $$k=\sqrt{\frac{h_{э}}{\sqrt{\pi }{l}_s}}$$ , где h_э - эквивалентная толщина ионосферы, l_s - характерный масштаб неоднородностей (200-1000 м) определяют значение интенсивности неоднородностей ионосферы β_и.

Для пеленгации искусственных ионосферных образований с помощью СРНС предлагается способ, реализованный в несколько этапов.

На первом этапе происходит прием электромагнитных сигналов от каждого навигационного спутника, при этом в двухчастотном приемнике формируются вектора оценки цифровых сигналов, соответствующие каждому из j=1…m видимых навигационных спутников; после чего на основе фазовых времен распространения τ_ф1,2(t_k) вычисляют фазовые пути сигнала Д_ф1,2(t_k)=сτ_ф1,2(t_k) для каждого из j=1…m видимых навигационных спутников.

На втором этапе происходит определение полного электронного содержания ионосферы I, математического ожидания полного электронного содержания ионосферы $$\overline{\text{I}}$$ (среднего значения полного электронного содержания) и среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы σ_ΔI, после чего определяют значения интенсивности неоднородностей ионосферы согласно $${\beta }_{иj}=\frac{{\sigma }_{\Delta I}}{\overline{I}}k,$$ причем $$k=\sqrt{\frac{h_{э}\cos ec{\alpha }_j}{\sqrt{\pi }{l}_s}}$$ , где h_э - эквивалентная толщина ионосферы, l_s - характерный масштаб неоднородностей (200-1000 м), α_j - угол между касательной к поверхности Земли в точке расположения двухчастотного приемника и направлением на j=1…m видимый навигационный спутник (Фиг.1, Фиг.2).

На третьем этапе происходит сравнение полученных значений интенсивности неоднородностей ионосферы β_{и j} - с пороговым β_{и пор}. Для выбора порогового значения необходимо учесть, что в нормальной ионосфере интенсивность неоднородностей мала и составляет β_{и j}=0,1…1% [5], а в условиях ИИО ионосферы она может заметно возрастать [6, 7]: до β_{и j}=1…20%. Исходя из этого значение порогового уровня целесообразно выбирать равным β_{и пор}=1%. После проведенного сравнения происходит определение всех линий прохождения сигнала (с указанием номеров навигационных спутников и времени посылок сигнала), на которых определена повышенная (β_{и j}≥β_{и пор}) интенсивность неоднородностей ионосферы.

На четвертом этапе на основе сведений обо всех линиях прохождения сигнала, на которых определена повышенная (β_{и j}≥β_{и пор}) интенсивность неоднородностей ионосферы, формируется признак наличия искусственного ионосферного образования. Затем по информации, содержащейся в навигационных сообщениях (номер навигационного спутника, время посылки сигнала, координаты спутника на орбите) и координатам размещения двухчастотного приемника, определяются пеленги на начало и конец искусственного ионосферного образования. Таким образом, полученный телесный угол с началом в точке нахождения двухчастотного приемника будет ограничивать своими гранями искусственное ионосферное образование.

Таким образом, в четыре этапа реализуется предлагаемый, способ пеленгации искусственных ионосферных образований.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 представлены неоднородная ионосфера с эквивалентной толщиной h_э и характерным масштабом неоднородностей (200-1000 м)l_s; трасса прохождения сигнала, расположенная под углом α_j между касательной к поверхности Земли в точке расположения двухчастотного приемника и направлением на j=1…m видимый навигационный спутник; на Фиг.2 представлены трассы прохождения сигнала от j=1…m видимых навигационных спутников в различные моменты времени t=i…n, причем некоторые трассы проходят через искусственное ионосферное образование. На Фиг.3 представлена функциональная схема устройства пеленгации искусственных ионосферных образований, реализующего предлагаемый способ.

Осуществление изобретения

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на Фиг.3. В состав устройства входят: приемная антенна (1), двухчастотный приемник (2), опорный генератор и синтезатор частот (3), аналого-цифровой процессор первичной обработки (4), блок вычисления фазового пути сигнала (5), блок вычисления полного электронного содержания ионосферы (6), устройство вывода информации (7), блок вычисления среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы (8), блок вычисления математического ожидания полного электронного содержания ионосферы (среднего значения полного электронного содержания) (9) и блок вычисления интенсивности неоднородностей ионосферы (10), блок порогового устройства (11), блок определения координат (12) и блок пеленгации (13).

Предлагаемый способ реализован следующим образом.

Приемная антенна (1) принимает электромагнитные колебания, излучаемые навигационными спутниками. С выхода приемной антенны (1) напряжение u_вх(t) поступает на вход двухчастотного приемника (2), предназначенного для усиления и селекции принятых сигналов. С выхода двухчастотного приемника (2) на вход аналого-цифрового процессора первичной обработки (4) подается вектор оценки цифровых сигналов y(t_j), состоящий из сигналов j=1…m видимых навигационных спутников. Опорный генератор и синтезатор частот (3) формирует номиналы рабочих частот f₁ и f₂ на входы двухчастотного приемника (2), аналого-цифрового процессора первичной обработки (4) и блока вычисления полного электронного содержания ионосферы I (6). В аналого-цифровом процессоре первичной обработки (4) реализованы схемы поиска и слежения за параметрами сигнала. С выхода аналого-цифрового процессора (4) на вход блока вычисления фазового пути сигнала (5), реализующего алгоритм Д_ф1,2(t_k)=cτ_ф1,2(t_k) с шагом Т_k=t_k-t_k-l=0,02, поступают оценки фазового времени распространения τ_ф1,2(t_k). С выхода блока вычисления фазового пути сигнала (5) значения Д_ф1,2(t_k) поступают на вход блока вычисления полного электронного содержания ионосферы $$\text{I}=\overline{\text{I}}+\Delta \text{I}\text{(6)}$$ . Далее с выхода блока вычисления полного электронного содержания ионосферы I (6) оценки полного электронного содержания $$\text{I}=\overline{\text{I}}+\Delta \text{I}$$ поступают на вход блока вычисления среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы σ_ΔI (8), где согласно формуле $${\sigma }_{\Delta I}={\left[\overline{{\left(I-\overline{I}\right)}^2}\right]}^{1/2}$$ происходят операции центрирования, возведения в квадрат, усреднения и извлечения квадратного корня [8], и на вход блока вычисления математического ожидания полного электронного содержания ионосферы $$\overline{I}$$ (среднего значения полного электронного содержания) (9) [8]. С выхода блока вычисления среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы σ_ΔI (8) и выхода блока вычисления математического ожидания полного электронного содержания ионосферы $$\overline{I}$$ (9) значения среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы σ_ΔI и значения математического ожидания полного электронного содержания ионосферы $$\overline{I}$$ поступают на входы блока вычисления интенсивности неоднородностей ионосферы β_и (10). В блоке вычисления интенсивности неоднородностей ионосферы β_и (10) определяется значение интенсивности неоднородностей ионосферы согласно выражению (2) $${\beta }_{и}=\frac{{\sigma }_{\Delta I}}{\overline{I}}k$$ , где $$k=\sqrt{\frac{h_{э}\cos ec{\alpha }_j}{\sqrt{\pi }{l}_s}}$$ . Рассчитанное значение поступает на вход порового устройства (11), в котором производится его сравнение с величиной, характерной для нормальной ионосферы и выбранной за пороговую (β_{и пор}=1%). В случае непревышения порового значения вычисленное значение поступает на устройство вывода информации (7).

Все значения величин интенсивности неоднородностей, превышающих пороговый уровень, поступают на вход блока определения координат (12), в котором, согласно информации, содержащейся в навигационном сообщении, определяется номер НКА (m), передавшего сигнал и его координаты на орбите в текущий момент времени. Затем эта информация поступает в блок пеленгации (13). В блоке пеленгации (13) по информации, содержащейся в навигационных сообщениях (номер навигационного спутника, время посылки сигнала, координаты спутника на орбите), и координатам размещения двухчастотного приемника определяются азимут и угол места каждого НКА, после чего происходит сортировка полученных результатов по азимуту и углу места каждого НКА и определение пеленгов начала и конца ИИО, а также сектор нахождения ИИО. Данная информация отображается в устройстве вывода информации (7).

Таким образом, в разработанном устройстве (Фиг.3) на основе величин интенсивности неоднородностей ионосферы определяются пеленги начала и конца искусственных ионосферных образований.

Предлагаемое изобретение позволяет на основе результатов измерения интенсивности неоднородностей ионосферы определять пеленги начала и конца искусственных ионосферных образований, определяя тем самым зону нахождения искусственного ионосферного образования.

Список использованных источников

1. Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. Учебное пособие для радиотехн. спец. вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. Москва, «Высш. школа», 1975. - 280 с.

2. Пашинцев В.П., Солчатов М.Э., Гахов Р.П. Влияние ионосферы на характеристики космических систем передачи информации: Монография. - Москва: Физ-матлит, 2006. - 184 с.

3. Патент РФ на полезную модель №81340, опубл. 10.03.2009.

4. Патент РФ на полезную модель №108150, опубл. 10.09.2011.

5. Альперт Я.Л. Распространение электромагнитных волн и ионосфера. - М.: Наука, 1972. - 563 с.

6. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS - мониторинг верхней атмосферы Земли. - Иркутск, 2006. - 480 с.

7. Гершман Б.Н., Ерухимов Л.М., Яшин Ю.Я. Волновые явления в ионосфере и космической плазме. - М.: Наука. 1984. - 392 с.

8. Смирнов Н.Н., Федосов В.П., Цветков Ф.В. Измерение характеристик случайных процессов / Под. ред. В.П. Федосова: Учеб. пособие для вузов. - М.: САЙНС-ПРЕСС, 2004. - 64 с.

Предлагаемое изобретение может быть использовано для радиозондирования ионосферы, определения интенсивности ионосферных неоднородностей и пеленгации искусственных ионосферных образований. Достигаемый технический результат - повышение точности определения полного электронного содержания в условиях диффузности и получение информации о состоянии ионосферы в заданном направлении. Указанный результат достигается тем, что принимают электромагнитные сигналы от каждого навигационного спутника (НС), при этом в двухчастотном приемнике формируются вектора оценки цифровых сигналов, соответствующие каждому из j=1…m видимых навигационных спутников, затем на основе фазовых времен распространения τ_ф1,2(t_k) вычисляют фазовые пути сигнала Д_ф1,2(t_k)=сτ_ф1,2(t_k) для каждого из j=1…m видимых НС, определяют полное электронное содержание ионосферы I, математическое ожидание полного электронного содержания ионосферы и среднеквадратическое отклонение полного электронного содержания ионосферы σ_ΔI, затем определяют значение интенсивности неоднородностей ионосферы, затем сравнивают полученные значения интенсивности неоднородностей ионосферы β_{и j} с пороговым β_{и пор} значением, определяют все линии прохождения сигнала, на которых определена повышенная (β_{и j}≥β_{и пор}) интенсивность неоднородностей ионосферы, формируют признак наличия искусственного ионосферного образования, по информации, содержащейся в навигационных сообщениях и координатам размещения двухчастотного приемника определяют пеленги на начало и конец искусственного ионосферного образования. 3 ил.

Способ пеленгации искусственных ионосферных образований, заключающийся в том, что вначале принимают электромагнитные сигналы от каждого навигационного спутника, при этом в двухчастотном приемнике формируются вектора оценки цифровых сигналов, соответствующие каждому из j=1…m видимых навигационных спутников; после чего на основе фазовых времен распространения τ_ф1,2(t_k) вычисляют фазовые пути сигнала Д_ф1,2(t_k)=сτ_ф1,2(t_k) для каждого из j=1…m видимых навигационных спутников, определяют полное электронное содержание ионосферы I, математическое ожидание полного электронного содержания ионосферы и среднеквадратическое отклонение полного электронного содержания ионосферы σ_ΔI, затем определяют значение интенсивности неоднородностей ионосферы, отличающийся тем, что после проведенных вычислений сравнивают полученные значения интенсивности неоднородностей ионосферы β_{и j} с пороговым β_{и пор} значением, определяют все линии прохождения сигнала, на которых определена повышенная (β_{и j}≥β_{и пор}) интенсивность неоднородностей ионосферы, формируют признак наличия искусственного ионосферного образования, по информации, содержащейся в навигационных сообщениях и координатам размещения двухчастотного приемника определяют пеленги на начало и конец искусственного ионосферного образования.