Восстановление полного электронного содержания по данным двухчастотного GPS-приёмника, установленного на борту низкоорбитального искусственного спутника земли

Э.Л. Афраймович (afra@iszf.irk.ru), П.В. Татаринов Институт солнечно-земной физики СО РАН, 1. ВВЕДЕНИЕ

Восстановление полного электронного содержания (ПЭС) является одним из важных направлений исследования ионосферы. Данные о характере изменения ПЭС в зависимости от различных гео-гелиофизических условий используются в моделях, применяемых в радиотехнических системах (РТС), использующих ионосферный канал, и позволяющих учитывать влияние среды распространения сигнала на качество работы таких систем. Примером такого использования может являться модель ионосферы, предложенная Klobuchar [1, 2], которая позволяет учитывать влияние среды распространения сигналов спутниковой радионавигационной системы (СРНС) GPS при работе с одночастотной аппаратурой потребителя (АП).

В настоящее время международной службой IGS (International GPS Service) распространяются карты ПЭС в формате IONEX, содержащие значения вертикального ПЭС для различных регионов земного шара с дискретностью: 2,50 - по широте, 50 - по долготе и 2 часа - по времени. Исходными данными для создания таких карт являются измерения параметров сигналов СРНС GPS сетью наземных приёмников.

Однако неравномерное распределение приёмных станций по поверхности Земли и практически полное их отсутствие в акваториях океанов и полярных районах существенно снижает точность карт ПЭС и, как следствие, эффективность их использования.

Частичное решение этих проблем возможно путём восстановления ПЭС по данным двухчастотных GPS-приёмников, установленных на борту низкоорбитальных искусственных спутников Земли (НО ИСЗ).

2. МЕТОДИКА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПЭС

Методика восстановления ПЭС по данным двухчастотных приёмников СРНС типа GPS/ГЛОНАСС в достаточной степени разработана и описана в ряде источников [3-5]. Приведем лишь конечные формулы для вычисления ПЭС вдоль луча зрения из точки приёма на навигационный ИСЗ, (м -2):

40.308 У12 - У

^ [(Pi - Pi) + nP],(1)

■2 2

fl j

40.308 fl2 - j

2

2

•[(Ml - M2 )+ K + nL ],(2)

1

I

1

I

где f1, f2 - рабочие частоты СРНС; Р1, Р2 - дополнительные пути радиосигналов, обусловленные групповым запаздыванием в ионосфере, м; Ь1Л1, Ь2Л2 - дополнительные пути радиосигналов, обусловленные фазовым запаздыванием в ионосфере, м; L1, L2 -число набегов фазы на рабочих частотах СРНС; Я1, Л2 - длины волн, м; K - постоянная неоднозначности фазы (неизвестное начальное значение); nP, nL - погрешности определения группового и фазового пути.

Исходными данными для вычисления ПЭС являются файлы в формате RINEX, в которых содержатся значения L1, L2, Р1, Р2, измеряемые сетью GPS - приёмников, установленных на земной поверхности. Значения наклонного ПЭС, полученные из выражений (1) и (2), преобразуются в значения вертикального ПЭС относительно подионосферной точки (точки пересечения луча зрения на навигационный ИСЗ с высотой главного максимума электронной концентрации ионосферы) по формуле [6]

IV = I cos

arcsin

cos у

RZ + hmax

V V 1 "maxJ

(3)

где I - значения наклонного ПЭС, м-2; RZ - радиус Земли, м; Hmax - высота максимума концентрации электронов в слое F2 ионосферы, м; у - угол места навигационного ИСЗ относительно линии местного горизонта НО ИСЗ, град. Под местным горизонтом будем понимать касательную плоскость к любой точке орбиты НО ИСЗ.

Аналогично выполняется восстановление значений ПЭС по данным GPS -приёмников, установленных на НО ИСЗ. Однако существует ряд особенностей, связанный с параметрами орбиты таких спутников и их положением относительно навигационных ИСЗ.

Одной из особенностей является периодический характер интервалов наблюдения сигналов навигационного ИСЗ в приёмнике НО ИСЗ. Это объясняется тем, что каждый навигационный ИСЗ СРНС периодически попадает в зону земной тени относительно более быстро движущегося НО ИСЗ. Интервал наблюдения каждого навигационного ИСЗ в приёмнике на борту НО ИСЗ в этом случае значительно меньше, чем для приёмников, находящихся на земной поверхности, и составляет в зависимости от высоты полёта НО ИСЗ 25-40 минут. Однако если не учитывать влияния атмосферных эффектов (например - дифракции), приёмник, установленный на борту НО ИСЗ, может уверенно принимать сигналы от 9- 16 навигационных ИСЗ одновременно. Такое увеличение количества «видимых» навигационных ИСЗ вызвано зрительным уменьшением углового размера планеты при подъёме приёмника над поверхностью Земли. Количество «видимых» навигационных ИСЗ также зависит от диаграммы направленности приёмных антенн и количества каналов приёмника. Таким образом, несмотря на сокращение интервалов наблюдения, возможно восстановление ПЭС по одновременным измерениям значений дополнительных путей радиосигналов, обусловленных групповым и фазовым запаздыванием в ионосфере от нескольких навигационных ИСЗ. Это позволяет в некоторой степени компенсировать погрешности определения группового и фазового пути сигналов навигационных ИСЗ.

Другой особенностью является определение вертикального ПЭС. Поскольку высоты орбит НО ИСЗ находятся либо в пределах высот главного максимума электронной концентрации, либо выше - подионосферной точкой будем считать местоположение НО ИСЗ. В этом случае вертикальное ПЭС вычисляется по формуле [7]

Iv = iVsin(y2 + 20,32) .(4)

Ещё одной особенностью является необходимость различать моменты времени между интервалами наблюдений, когда сигналы навигационного ИСЗ в приёмнике отсутствуют вследствие его нахождения в области земной тени относительно НО ИСЗ, и отсутствие сигналов в приёмнике в течение интервала наблюдения. Эта особенность является очень важной, поскольку позволяет детектировать срывы слежения за сигналами навигационных ИСЗ в приёмнике на борту НО ИСЗ. Под срывом слежения за сигналом некоторого навигационного ИСЗ будем понимать отсутствие сигнала этого спутника в приёмнике в течение заданного интервала наблюдения. Для того чтобы определить, имел ли место срыв сигнала, необходимо знать взаимное положение навигационного ИСЗ и НО ИСЗ относительно Земли.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕТРИИ ВЗАИМНОГО ПОЛОЖЕНИЯ НАВИГАЦИОННОГО ИСЗ И НО ИСЗ ОТНОСИТЕЛЬНО ЗЕМЛИ

Для точного определения интервалов наблюдения каждого навигационного ИСЗ в приёмнике НО ИСЗ была разработана методика определения геометрии их взаимного положения, с помощью которой моделировались интервалы наблюдения i - го навигационного ИСЗ в приёмнике на борту НО ИИСЗ и дальность между ними. Суть методики заключается в определении по известным координатам навигационного ИСЗ и НО ИСЗ в геоцентрической прямоугольной системе координат (ГцПСК) их взаимного положения в пространстве относительно Земли.

Рис.1. Взаимное положение навигационного ИСЗ и НО ИСЗ.

На рис. 1 приведён пример взаимного положения навигационного ИСЗ и НО ИСЗ относительно Земли в проекции на плоскость орбиты навигационного ИСЗ. Здесь D -дальность от навигационного ИСЗ до НО ИСЗ, которая определяется, как