Способ зондирования ионосферы, тропосферы, геодвижений и комплекс для его реализации

Способ зондирования ионосферы, тропосферы, геодвижений и комплекс для его реализации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Заявленное изобретение относится к геофизике и предназначено для мониторинга окружающей среды, обеспечения радиосвязи и навигации, геодезических измерений, информационного обеспечения сельского хозяйства, здравоохранения и является развитием технологий:

1. Наклонного зондирования ионосферы;

2. Наземного и спутникового радиозондирования ионосферы;

3. Зондирования на основе сигналов навигационных спутниковых систем;

4. Томографии ионосферы;

5. Многочастотного зондирования с геостационарных космических аппаратах (ГКА).

В первой группе технологий зондирования ионосферы в России используется редкая сеть наземных станций наклонного зондирования ионосферы. Для второй группы необходима система наземных ионозондов и ионозонды на отечественных КА. Зарубежным аналогом этого направления является развитие американской сети современных цифровых ионозондов, в том числе создание новой «Сети ионозондов XXI века (Диназонд 21)» [1]. В третьей, четвертой и пятой группе для зондирования ионосферы используется просвечивание атмосферы сигналами навигационных КА (НКА) и ГКА [2] и требуется достаточно плотная сеть приемных станций для диагностики морфологии возмущений атмосферы.

Особенностью методов просвечивания ионосферы сигналами КА являются изменение характеристик радиосигналов со спутников в ионосфере и в тропосфере из-за уменьшения фазовой скорости радиоволн, поляризации молекул водяного пара в магнитном поле Земли [3]. Актуальность диагностики содержания водяного пара в тропосфере при зондировании ионосферы обусловлена также рядом недостатков в существующих технологиях зондирования тропосферы: малое число наблюдений с помощью подъема или сброса радиозондов, высокая стоимость технологий и аппаратуры (например для лазерного зондирования), невысокая точность (микроволновое зондирование) и др. [1]. В свою очередь, на основе длительных наблюдений и коррекции ионосферных и тропосферных ошибок в характеристиках сигналов КА возможна диагностика изменений тенденций в характеристиках позиционирования (геодвижений) реперных пунктов с приемными антенными устройствами сигналов КА.

Физической основой зондирования атмосферы является задержка и рефракция распространения сигналов КА в ионосфере и тропосфере из-за искажения траектории радиолуча (см. фиг.1). На основе диагностики этих эффектов при распространении сигналов, например навигационных и геостационарных КА (далее НКА), оценивается содержание электронов в атмосфере и характеристики, тропосферы.

Набег фазы при распространении сигнала НКА в неидеальной среде определяется протяженностью траектории распространения сигнала L между приемником и передатчиком и коэффициентом преломления среды n [3]:

где, φ - набег фазы для рабочей частоты f сигнала, n_l - коэффициент преломления сигнала вдоль трассы прохождения сигнала, φ₀ - некоторая неизвестная начальная фаза сигнала, с - скорость света.

В ионосфере, если пренебречь малым влиянием соударений частиц среды и магнитного поля [3]:

где n_e - локальная концентрация электронов.

В тропосфере показатель преломления радиоволн [4]:

где k₁, k₂, k₃ - эмпирические коэффициенты,

Р - атмосферное давление,

Т - температура воздуха, К,

е - парциальное давление водяного пара, Па.

GPS/ГЛОНАСС(Galileo) технологии реализуют одновременно измерения групповых и фазовых задержек сигналов на нескольких частотах. Для GPS это псевдодальность L₁(λ₁) на частоте 1,575 ГГц и L₂(λ₂) на частоте 1,228 ГГц:

L₁=ρ'-I₁+λ₁N₁, L₂=ρ'-I₂+λ₂N₂,

P₁=ρ'-I₁+c·(δ_пt_п1+δt_c1), P₂=ρ'-I2+c·(δ_пt_п2+δt_c2),

где ρ' включает в себя геометрическое расстояние между приемником и НКА, I_1,2 - задержки в тропосфере-ионосфере и другие частотно-независимые задержки, λ₁N₁ и λ₂N₂ - неизвестные начальные фазы сигналов на рабочих частотах f₁ и f₂, с - скорость света, δt_c1,2 и δt_п1,2 - инструментальные задержки сигналов в аппаратуре спутника и приемника (аппаратурная задержка при переключении частот может достигать до 30 наносекунд).

Дифференциальная задержка двух сигналов пропорциональна полному электронному содержанию ионосферы (ПЭС): ΔL=ΔI+В, ΔР=ΔI+δ, где ΔI - дифференциальная ионосферная задержка (в которую, обычно, включают и тропосферную задержку), В - неизвестная начальная фаза, δ - неизвестная аппаратурная задержка.

Формально уравнения для групповых и фазовых измерений имеют одинаковый вид, и ионосферная задержка может быть определена с точностью до неизвестной поправки. Инструментальная задержка мало меняется на временах более нескольких дней. Начальная фаза остается постоянной в течение сеанса связи.

Абсолютное значение ПЭС определяется обычно с помощью моделей ионосферы и базовых станций с выверенными приемными устройствами характеристик сигналов НКА и высокоточными частотомерами (водородным и рубидиевым стандартами частоты). Инструментальные задержки и неизвестные фазы для каждого спутника определяются на основе сравнения с базовыми станциями и оценок, указанных в технической документации (испытаний). Грубые оценки абсолютных значений ПЭС могут быть получены на основе поправок системы дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ, SBAS) глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) ГЛОНАСС/GPS, где предусмотрены ретрансляторы-ГКА.

С учетом показателей преломления радиоволн в ионосфере и тропосфере, оценок задержек принимаемых сигналов и координат приемника и передатчика можно диагностировать характеристики просвечиваемой среды. В качестве возможной основы предлагаемой технологии зондирования ионосферы по сигналам НКА GPS/ГЛОНАСС(Galileo) и ГКА могут быть: патент РФ №2042129 «Ионосферный зонд» от 11.05.1993, патент РФ на полезную модель №76462 (опубл. 20.09.2008 г.), по заявке РФ 2010105905 от 19.02.2010 г. (G01S 1/32), опубл. 10.05.2010 г., на аппаратно-программный комплекс ионосферного мониторинга, а для зондирования характеристик тропосферной задержки - публикации [3].

В патенте РФ №2042129 предлагается применить двухчастотную навигационную аппаратуру пользователей космических навигационных систем типа "Навстар" и/или "ГЛОНАСС" в качестве ионосферного зонда. В заявке отсутствует учет тропосферной задержки радиосигналов, инструментальных и аппаратных ошибок, не решен вопрос определения начальной фазы зондируемых сигналов. Не указано, что диагностика изменения суммарного электронного содержания в атмосфере возможна относительно некоторого неизвестного уровня при значительных пространственных ограничениях. Не учтена возможность использования третьей частоты космических навигационных систем и сигналов с ГКА, поправок СДКМ (SBAS и подобных систем). В схеме расчетов относительного изменения задержки сигналов не указана связь с характеристиками ионосферы.

В патенте РФ на полезную модель №76462 утверждается, что заявленное устройство позволяет рассчитать полное электронное содержание (ПЭС) в ионосфере, однако фактически речь идет о диагностике изменений суммарного электронного содержания в ионосфере относительного некоторого неизвестного уровня. Причины те же. В расчетах также не учтена тропосферная рефракция и ее вклад (до 50% и более, особенно при малых углах наклона распространения радиоволн над горизонтом) в оценку ПЭС в атмосфере, а также начальные фазы сигнала, подстройка часов, шумы и погрешности измерений, сигналы ГКА и т.д.

В патенте РФ на полезную модель на аппаратно-программный комплекс ионосферного мониторинга по заявке 2010105905 от 19.02.2010 г. (G01S 1/32), опубл. 10.05.2010 г. допущены те же погрешности. Тропосферная рефракция не учтена в результатах решения обратной и некорректной задачи восстановления вертикальных профилей заряженных частиц. Кроме того, в алгоритме использовано накопление разностей псевдодальностей только с одного НКА по результатам нескольких временных измерений, что обусловливает значительные ошибки в расчетах характеристик ионосферы. Проверки алгоритма показали занижение оценок высотных профилей концентрации заряженных частиц. Игнорированы сбои сигналов из-за нерегулярной автоматической коррекции бортовых часов, ионосферных возмущений и других факторов, что также приводит к значительным погрешностям вычислений и неустойчивой работе алгоритма. Кроме того, используется предположение о гладком профиле концентрации заряженных частиц в верхней ионосфере, что не соответствует результатам натурных измерений. Есть пространственные (геометрические) ограничения - с помощью предложенного алгоритма не возможно восстановление профилей в значительном конусе углов (фактически до ±25 градусов от зенита). Восстановленные профили не соответствуют положению наземного приемника, их географическая привязка оказывается удаленной от приемника в сторону видимого НКА до нескольких сотен километров. При этом, требуется постоянная коррекция алгоритма.

Для получения корректных данных мониторинга ионосферы в рассматриваемом аналоге не используется комплекс видимых НКА. Для валидации рассчитываемых оценок не используются данные наземных и космических наблюдений состояния атмосферы, данные спутникового радиозатменного зондирования, данные радиозондирования тропосферы и нижней стратосферы, в том числе по сети аэрологических станций. Не упоминается необходимость серьезной модели региональной атмосферы, которая должна использоваться в расчетах и формироваться по данным наблюдений. На основе этой модели можно формировать начальные приближения в целом неизвестных фаз сигналов НКА и получать оценки ПЭС.

В патенте РФ на полезную модель на аппаратно-программный комплекс ионосферного мониторинга по заявке 2010105905 от 19.02.2010 г. также принципиально не учитывается, что в основе любого мониторинга должна быть модель процесса или явления, а предлагаемая к оперативному использованию в качестве приближений климатическая модель ионосферы требует постоянной адаптации к конкретному региону. Следствием этого являются значительные погрешности в расчетах профилей концентрации заряженных частиц и относительных оценок ПЭС, позиционирования антенных приемных устройств сигналов НКА при выключенных в приемнике опциях компенсации ошибок.

Таким образом, рассмотренные технические решения для зондирования ионосферы обладают следующими недостатками: отсутствие технологий синтеза данных, с сети навигационных приемников сигналов GPS/ГЛОНАСС/Galileo, использования третьей частоты ГНСС, данных с ионозондов наземного и космического базирования, отсутствие учета тропосферных задержек в характеристиках GPS/ГЛОНАСС/Galileo-сигналов (не во всех навигационных приемниках возможна коррекция сигналов по модельным тропосферным данным, транслируемым в сообщениях о характеристиках сигналов НКА), отсутствие учета использования сигналов с ГКА, значительные погрешности в расчетах профилей концентрации заряженных частиц и относительных оценок ПЭС, низкое качество моделей ионосферы и тропосферы, отсутствие верификации и валидации алгоритмов, отсутствие контроля и поверок используемого оборудования.

Техническим результатом заявленного изобретения является определение параметров атмосферы по сигналам НКА с учетом данных с ионозондов на КА, станций наклонного (вертикального) зондирования ионосферы (радаров некогерентного рассеяния и др.), моделей ионосферы и тропосферы, электронных архивов о результатах зондирования атмосферы, данных с базовых станций СДКМ (SBAS) и расчет: значений полной электронной концентрации в ионосфере, значений ионосферных и тропосферных задержек, тропосферной рефракции принимаемых сигналов КА, показателя преломления в тропосфере, вертикального профиля влажности воздуха и вертикального профиля плотности воздуха, геодвижений на длительных интервалах наблюдений за характеристиками позиционирования реперных пунктов с приемными антенными устройствами сигналов КА. С помощью заявленного изобретения, в котором могут использоваться сети ведомственных навигационных приемников, расширяется область зондирования атмосферы, повышается точность и надежность определения параметров ионосферы и тропосферы, точность позиционирования и оценки геодвижений.

Заявляемый комплекс обеспечивает зондирование ионосферы и тропосферы по сигналам НКА (ГНСС ГЛОНАСС, потребительский и военный код, или GPS (С/А код). Предусмотрена возможность комплексного использования сигналов других навигационных систем, их сигналов на дополнительных частотах, сигналов ГКА, данных с бортовых приемников сигналов НКА на КА в ОКП, данных с ионозондов на КА, данных зондирования атмосферы и электронных архивов, данных с базовых станций СДКМ (SBAS). Заявленный комплекс может быть применен для валидации региональных и глобальных моделей ионосферы и тропосферы с расчетом геодвижений.

Особенностью заявленного изобретения является усовершенствование способа зондирования и мониторинга ионосферы с помощью сигналов НКА с учетом использования результатов зондирования тропосферы, данных спутникового зондирования верхней ионосферы, данных наземных станций вертикального (наклонного) зондирования ионосферы, сигналов комплекса видимых НКА, адаптивных моделей ионосферы, данных СДКМ (SBAS), формирования по результатам зондирования региональной модели атмосферы, возможностью использования сетей навигационных приемников, расчета геодвижений на длительных интервалах наблюдений за характеристиками позиционирования реперных пунктов с приемными антенными устройствами сигналов НКА.

Технический результат достигается тем, что комплекс зондирования ионосферы и тропосферы с расчетом геодвижений, содержащий наземные и бортовые приемные антенные устройства для приема сигналов с космических аппаратов (КА) ГЛОНАСС/GPS/Galileo, геостационарных КА и КА зондирования ионосферы и тропосферы, наземные и бортовые навигационные приемники сигналов с указанных КА, ПЭВМ оператора на базе процессора с устройством отображения информации, который скоммутирован с наземными и бортовыми навигационными приемниками через приемопередающую станцию спутниковых данных, со станциями зондирования, электронными архивами гелиогеофизических, геодинамических и метеорологических данных, при этом процессор выполнен с возможностью:

- управления приемными антенными устройствами в зависимости от уровня сигнал/шум путем обработки поступающих с выходов навигационных приемников сигналов и заданных сетевых планов приема информации;

- конвертирования и дешифрования принимаемых сигналов,

- расчета координат, прогностического положения и подспутниковой точки КА, координат приемных антенных устройств;

- расчета значений полной электронной концентрации в ионосфере, их осреднение и коррекция;

- расчета значений ионосферных и тропосферных задержек, тропосферной рефракции принимаемых сигналов КА и их коррекция по фактическому положению КА для коррекции рассчитанных значений полной электронной концентрации в ионосфере;

- расчета показателя преломления в тропосфере, который используется при оценке суммарной поправки тропосферной рефракции;

- расчета профиля показателя преломления по рассчитанным тропосферным задержкам сигнала;

- расчета вертикального профиля влажности воздуха и вертикального профиля плотности воздуха из восстановленного профиля показателя преломления;

- расчета поля распределения полной электронной концентрации в ионосфере;

- формирования региональных моделей ионосферы и тропосферы;

- расчета геодвижений на длительных интервалах наблюдений за характеристиками позиционирования реперных пунктов с приемными антенными устройствами сигналов КА;

- валидации, верификации и архивации получаемой информации в табличной и графической форме с автоматическим непрерывным режимом в реальной масштабе времени;

- вывода на устройство отображения результатов зондирования и расчетов.

Сущность и признаки заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее:

на фиг.1 - траектории распространения радиолучей;

на фиг.2 - результаты восстановления ПЭС в ходе реального эксперимента с комплексом над стендом «Сура» в августе 2009 г. (поселок Васильсурск, Нижний Новгород);

на фиг.3 - структурная схема комплекса зондирования ионосферы и тропосферы, где:

1 - группировка НКА и ГКА,

2₁…2_n - наземные приемные антенные устройства,

3 - бортовые приемные антенные устройства,

4₁…4_n - наземные навигационные приемники,

5 - бортовые навигационные приемники КА,

6 - ПЭВМ на базе процессора с устройством отображения информации,

7 - приемопередающая станция спутниковых данных,

8 - блок исходных данных;

на фиг.4 - проекция надира НКА для фиг.2 по данным наземного приемника на стенде «Сура»;

на фиг.5 - пример рассчитанных вертикальных профилей массовой доли водяного пара в тропосфере, где:

1 - результаты моделирования по характеристикам сигналов НКА GPS,

2 - реальные данные радиозондирования тропосферы;

на фиг.6 - алгоритм решения обратной задачи радиопросвечивания ионосферы для восстановления профилей концентрации заряженных частиц;

на фиг.7 - пример результатов восстановления профиля электронной концентрации в ходе реального эксперимента с комплексом в августе 2009 г. над стендом «Сура»;

на фиг.8 - схема радиозатменного зондирования ионосферы по трассе КА-НКА;

на фиг.9 - блок-схема алгоритма работы процессора.

Принцип и алгоритм работы заявленного изобретения заключается в следующем.

Для зондирования ионосферы и тропосферы с расчетом геодвижений используются принимаемые через антенные устройства (2, 3 фиг.3) сигналы навигационных КА GPS/ГЛОНАСС/Galileo (1, фиг.1) и сигналы геостационарных КА. Антенны скоммутированы с навигационными приемниками сигналов космических навигационных систем GPS/ГЛОНАСС/Galileo (4, 5 фиг.3) с соответствующими блоками питания. Приемные и антенные устройства могут располагаться на движущихся и стационарных объектах, на низкоорбитальных КА. Управление работой комплекса, планирование приема и обработка сигналов производится с помощью процессора (6, фиг.3), в котором прошиты программы переключения антенных устройств, в том числе бортовых, через станцию приема-передачи спутниковых данных (7, фиг.3), решения прямой и обратной задачи радиопросвечивания атмосферы и восстановления высотных профилей, разрезов и полей концентрации заряженных частиц, характеристик тропосферной рефракции с использованием информации (9, фиг.2) о состоянии атмосферы, электронных архивов для валидации и верификации полученных результатов зондирования (8, фиг.2), создания региональных моделей атмосферы.

Антенные устройства на фиг.3 предназначены для приема сигналов НКА и представляют одну или несколько антенн с малошумящим усилителем (МШУ), переходником для подсоединения к высокочастотному кабелю, через который обеспечивается также питание МШУ. Управление антенными устройствами производится с помощью программы, записанной в процессоре, в зависимости от уровне сигнал/шум путем процессорной обработки характеристик сигналов и заданных сетевых планов приема информации, или в ручном режиме. По уровню принимаемого сигнала происходит предварительная фильтрация используемых НКА, идентификация и контроль полноты кодовых последовательностей в принимаемых сигналах.

Использование нескольких разнесенных антенн или антенных решеток повышает качество приема сигнала и точность вычислений. При установке антенн предусматривается максимальный обзор НКА, либо обзор в выбранных секторах, задаваемых в плане приема или в ручном режиме. По результатам проведенных полевых экспериментов количество видимых НКА в каждой точке Земли и фиксируемых с помощью навигационного приемника для каждого момента времени может достигать до 15-18. При использовании других ГНСС количество одновременно наблюдаемых НКА значительно возрастет.

Приемник сигналов НКА настроен на прием основных рабочих частот навигационных систем и обеспечивается питанием от сети или автономного источника. Радиосигналы с НКА представляют собой промодулированную кодом несущую частоту и эфемеридную информацию. Сигналы с НКА принимаются антенными устройствами, усиливаются, фильтруются и поступают на электронную плату приемника, где сигналы усиливаются, фильтруются и преобразуются в цифровой код. Характеристики навигационных сигналов на выходе приемника представляются в бинарной форме и/или в стандартном формате RINEX.

Приемник сигналов НКА обеспечивает автоматическое непрерывное в реальном масштабе времени определение и выдачу координат антенных устройств в системах координат WGS-84, ПЗ-90. Данные представляются в геодезической проекции с текущими отсчетами времени. В приемном устройстве может быть предусмотрено накопление данных и передача их для обработки по выделенным линиям (кабелям) на процессор. На длительных отрезках наблюдений по этим данным есть возможность диагностировать вариации позиционирования антенных приемных устройств с помощью стандартных статистических методов.

Для дешифрирования принимаемых приемником сигналов НКА GPS/ГЛОНАСС, конвертации в установленный формат, расчета оценок ошибок навигационных измерений, обусловленных влиянием ионосферы и тропосферы и расчета геодвижений используется процессор. В стандартных навигационных приемниках на выходе обычно формируется последовательность данных, в которых могут быть рассчитанные характеристики позиционирования антенных устройств в системах координат WGS-84, ПЗ-90. При этом возможен перерасчет координат по характеристикам видимых КА, положение которых транслируется в принимаемых сигналах. Это важно, так как во многих навигационных приемниках устанавливаются ограничения на геометрию расположения КА, используемых для расчета характеристик позиционирования. Для обширных территорий России с малой плотностью многочастотных навигационных приемников представляет интерес конфигурация НКА с малыми углами возвышения над горизонтом для зондирования тропосферной задержки.

В случае одночастотного приемника качество результатов зондирования ионосферы существенно ухудшается. При этом нельзя получить качественный вертикальный профиль распределения заряженных частиц, существенно отличающийся от распределений справочных моделей ионосферы.

Для одночастотного GPS/ГЛОНАСС-приемника (аналогично и для приема сигналов с ГКА) полное (интегральное) содержание заряженных частиц по радиолучу от приемника до НКА (ПЭС*=I*) определяется выражением [2]:

где |D| - модуль вектора (псевдодальность) между приемником и передатчиком, например по высокоточному коду С/А, L₁ - число оборотов фазы по радиолучу на основной частоте f₁ принимаемого сигнала с длиной волны λ₁=c/f₁, const₁ и σL₁ - константы. В расчетах обычно используется модуль величины I*. Константы оцениваются в результате экспериментов, например при сравнении с данными базовой станции СДКМ, либо с данными контрольно-поверочной станции. Константы могут задаваться в технической документации, рассчитываться с помощью модели ионосферы, по эталонным сигналам с ГКА, по данным наземных и космических ионозондов.

Псевдодальности, измеряемые одночастотными навигационными приемниками, испытывают быстрые и сильные флуктуации, не связанные с вариациями ПЭС, например, из-за автоматической подстройки часов приемника (в современных приемниках эти скачки компенсируются). Фаза несущей частоты принимаемого сигнала после удаления тренда часов приобретает аппаратный шум, превышающий возможные ионосферные флуктуации для их фильтрации. Поэтому при зондировании ионосферы с использованием одночастотных навигационных приемников целесообразно анализировать изменения характеристик принимаемых сигналов по парам-тройкам наблюдаемых КА, а лучше по сети навигационных приемников.

Для повышения точности определении ПЭС в ионосфере с помощью (4) необходимо уменьшить влияние тропосферной задержки, то есть использовать большие углы возвышения. Кроме этого, целесообразно использовать среднюю аддитивную или среднюю геометрическую оценки ПЭС или их комбинации по используемым в расчетах частотам и видимым НКА.

Точность зондирования ионосферы и тропосферы по сигналам НКА повышается при использовании двухчастотных (многочастотных) навигационных приемников сигналов НКА. По фазовым измерениям на двух частотах (f₁ и f₂) можно рассчитать оценку ПЭС=I₀ [5]:

где L₁λ₁ и L₂λ₂ можно заменить соответствующими значениями оценок псевдодальности до КА из RINEX-сообщений - стандартной после обработки бинарных данных формы представления принятых навигационных сигналов.

В расчетах возможно комплексирование данных по фазовым измерениям и по псевдодальностям. По фазовым измерениям на трех частотах (f₁, f₂, f₃) оценки ПЭС можно рассчитывать по их комбинации. При использовании выражения (5) для дальнейших расчетов осредненных оценок ПЭС допустимо использование модулей оценок ПЭС с количеством сочетаний двух частот из трех с последующим использованием средней аддитивной или средней геометрической оценки или их комбинаций. Возможно комплексирование одно и двухчастотных оценок ПЭС для получения осредненной оценки ПЭС, данных фазовых измерений и псевдодальностей. При этом, в расчетах ПЭС в вертикальном столбе необходима коррекция на наклон видимого НКА:

где α - зенитный угол направления на НКА, Н_ионосф - высота ионосферного слоя, R₃ - радиус Земли, t - время, φ - широта, λ - долгота приемника.

Для примера на фиг.2 представлены результаты восстановления ПЭС с использованием (5-6) по данным, полученным на стенде «Сура» п.Васильсурск (Нижегородская область). Ось OX - время в секундах с начала суток по UGT. Ось OY - относительное изменение ПЭС: 1 - расчет по неадаптированной модели IRI-2007, 2 - расчет по заявленному способу по видимому созвездию НКА и с учетом поправки на ионосферную задержку, 3 - расчет по алгоритму Патента РФ на полезную модель по заявке 2010105905 от 19.02.2010 г. для НКА GPS с коррекцией по данным справочной модели ионосферы IRI-2007 [1].

Начало первого скачка на кривых 2 и 3 в момент 22939 сек в точке с координатами 55,71 с.ш. 45,33 в.д. обусловлено автоматической подстройкой часов бортового приемника. Участок кривой, ограниченный координатами 55,89° с.ш. 46,07° в.д. (24757 сек) и 56,1° с.ш. 46,86° в.д. (26116 сек), привязан к зоне эффектов излучения стенда. Между этими моментами времени определение ПЭС по алгоритму патента на полезную модель по заявке 2010105905/22 от 19.02.2010 г. невозможно.

Географическая привязка надира НКА GPS для кривой 3 фиг.2 представлена на фиг.4. Неровности восстановленной по данным сигналов НКА траектории обусловлены автоматической подстройкой часов бортового приемника НКА. У ряда современных многочастотных навигационных и геодезических приемников для нивелирования этого эффекта предусмотрены встроенные фильтры, которые могут настраиваться пользователем. Для фильтрации с помощью процессора может использоваться технология сглаживания и выбраковки аномальных выбросов.

При использовании сигналов НКА для зондирования ионосферы часто ограничиваются решением только прямой задачи зондирования. При этом обычно оценивается изменение ПЭС относительного некоторого значения. Для расчета абсолютных значений ПЭС в ионосфере необходимо учитывать начальные фазы сигналов, аппаратные задержки, модели ионосферы, характеристики задержки сигнала в тропосфере, так как за счет тропосферной рефракции искривляется первоначальная траектория радиолуча от НКА и уменьшается скорость его распространения, обычно транслируемые данные поправок с базовых станций СДКМ (SBAS), результаты зондирования атмосферы наземными и космическими ионозондами. Дополнительная задержка сигнала НКА в тропосфере может достигать 8-80 нс, существенно возрастая при малых углах возвышения НКА. При малых углах возвышения НКА менее 10° над горизонтом расчетная оценка тропосферной задержки для их сигналов достигает 20 м. Это значительная величина, ибо ошибка в позиционировании примерно на 16 см соответствует одной единице ПЭС (ТЕС=10¹⁶ электронов на квадратный метр) в вертикальном столбе атмосферы.

Тропосферная задержка минимальна для НКА в зените. Поэтому в указанных выше прототипах для зондирования ионосферы сигналами НКА ограничиваются небольшими секторами углов, в которых влиянием тропосферной рефракции пренебрегается. При малых углах возвышения НКА расчеты по указанным в прототипах алгоритмам дают большие погрешности.

Оценки вклада тропосферной задержки должны использоваться при коррекции рассчитанных оценок ПЭС и восстановленных профилей концентрации заряженных частиц в атмосфере. Дополнительная задержка радиосигнала, связанная с прохождением через тропосферный слой, может быть определена по формуле:

где ΔL_тр - пространственная задержка сигнала в тропосфере, м,

L - расстояние до спутника, м,

l - путь вдоль траектории радиолуча в тропосфере, м,

n^Tp - показатель преломления радиоволн в тропосфере (3).

Для расчета показателя преломления радиоволн в тропосфере используются метеоданные, справочные модели, формируемая по данным наблюдений региональная модель атмосферы. При этом обычно определяется осредненный n^Tp показатель преломления радиоволн у земной поверхности, который используется при оценке суммарной поправки тропосферной рефракции. На основе рассчитанным значений производится расчет характеристик тропосферной рефракции сигналов НКА для коррекции полученных оценок ПЭС в ионосфере.

Уравнение (3) можно представить как зависимость от плотности воздуха и плотности водяного пара (ρ=ρ_с+ρ_п):

где R_c=287,0538, Дж/(кг К), R_п=461,526, Дж/(кг К) - универсальные газовые постоянные сухого воздуха и пара.

«Сухая» часть тропосферной задержки составляет около 90% от полной тропосферной задержки, она достаточно точно определяется по метеоданным, измеренным вблизи приемника, а также с использованием гидростатического закона (dP=ρ_cgdz) убывания давления (Р) с высотой. «Влажная» часть зависит от морфологии поля давления водяных паров.

Таким образом, для оценки тропосферной задержки сигналов НКА необходима инициализация начальных профилей температуры, влажности воздуха и атмосферного давления, модель траектории распространения радиосигнала в тропосфере. По значениям тропосферных задержек радиосигнала для заданного диапазона углов места НКА, корректируются рассчитываемые значения ПЭС в ионосфере.

Для восстановления профиля n(h) по серии измерений задержек сигнала формируют систему уравнений:

где Y - матрица результатов измерений задержек сигнала по траектории радиолуча в тропосфере с элементами ΔL,

Х - матрица показателя преломления в тропосфере с элементами (n_i-1) по слоям (обычно используется приближение сферической симметрии слоев),

А - оператор прямой задачи или матрица преобразования (ядро уравнения, например, в виде фильтра Калмана [6]), с элементами:

где w_i - квадратурные веса на i-м уровне,

R - радиус Земли, м,

β - угол места навигационного КА; м;

n₀ - обобщенный показатель преломления радиоволн по всей трассе и у земной поверхности.

Элементы (10) могут рассчитываться с помощью метода сопряженных градиентов или с помощью построения уравнения авторегрессии. При этом решается обратная некорректная задача атмосферной рефракции, которая имеет приближенное решение на основе математического аппарата решения интегральных уравнений Фредгольма первого рода [7] и нахождения конечномерного вектора, минимизирующего функционал:

где {A(h), U_δ} - искомая совокупность приближения оператора и функции некоторого приближения U_δ=n(h)_δ по некоторой трассе наблюдаемого НКА.

Искомая совокупность {A, U_δ} должна при минимизации погрешности δ обеспечивать лучшее приближение к точному решению задачи: Ф(n(h)_δ)≤δ².

Из восстановленного профиля n(h) может быть рассчитан вертикальный профиль влажности воздуха и вертикальный профиль плотности воздуха с использованием предположения политропной модели атмосферы, где температура с высотой убывает по линейному закону, а атмосферное давление убывает по барометрическому закону.

При решении обратной задачи определения искомого вектора Х (профиля показателя преломления n(h)) по данным задержки радиосигналов может применяться метод статистической регуляризации. При этом решение получается также в результате итерационного процесса:

где x_b - начальное приближение вектора X,

К_у - матрица ошибок измерений значений ΔL, , I - единичная матрица, - дисперсия ошибок измерений ΔL_тр,

s - номер итерации,

R_x - матрица значений межуровенной корреляции (стабилизации) показателя преломления радиоволн:

где R_T, R_P, R_e - матрицы ковариации полей температуры, атмосферного давления и влажности воздуха [8].

Для первых приближений можно использовать профиль относительной влажности, который задается экспоненциальной моделью, а также линейное изменение температуры с высотой.

Точность решения обратной задачи зависит от качества задания корреляционных функций.

Другой способ восстановления вертикальных профилей связан с использованием вариационного метода. При этом, необходимо найти такой вектор Х, при котором достигается минимум функции потерь как и в (11):

где Х - оценка вектора профиля состояния атмосферы [9].

Для реализации этого метода необходим большой архив реально наблюдавшихся вертикальных профилей показателя преломления, для чего и создается справочная региональная модель ионосферы.

По восстановленному вертикальному профилю показателя преломления можно восстановить профиль влажности, например, задав вертикальный профиле температуры воздуха. Вертикальное распределение атмосферного давления может быть получено из предположения о гидростатическом профиле плотности воздуха.

На фиг.5 представлен пример рассчитанного по характеристикам сигналов НКА GPS из [3] по представленному методу вертикального профиля влажности с высотой и данные радиозондирования влажности с аэрологической станции Зеленоград.

Наибольшей информативностью метода зондирования вертикального распределения содержания водяного пара в нижних слоях атмосферы по измерениям задержек радиосигналов НКА соответствуют схемы с небольшими углами места навигационных спутников. При углах места менее 5° над горизонтом резко возрастают ошибки расчетов [10].

Ряд продолжительных наблюдений за характеристиками сигналов НКА и полученные при этом оценки ПЭС, скорректированные на ошибки тропосферной рефракции, могут использоваться для восстановления вертикальных профилей электронной концентрации в ионосфере (n_e(h)). При этом также решается обратная некорректная задача атмосферной рефр