Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы исследования ионосферы 13
1.1. Анализ существующих методов диагностики состояния ионосферы 13
1.1.1. Методы вертикального и наклонного зондирования ионосферы 13
1.1.2. Метод частичных отражений 15
1.1.3. Метод некогерентного рассеяния 15
1.1.4. Трансионосферные методы зондирования 16
1.2. Анализ существующих методов моделирования ионосферы ... 19
1.2.1. Теоретические модели 19
1.2.2. Эмпирические модели 20
1.2.3. Гибридные модели 21
1.3. Трансионосферное зондирование с использованием двухчас-тотных сигналов среднеорбитальных СРНС. Уравнение трансионосферного зондирования 23
1.4. Методы решения уравнения трансионосферного зондирования. Постановка задачи исследований 37
Выводы по первой главе 39
Глава 2. Разработка метода решения уравнения трансионосферного зондирования 41
2.1. Параметризация решения системы интегральных уравнений 41
2.2. Выбор аналитической формы профиля высотного распределения электронной концентрации 46
2.3. Пакет прикладных программ и методика обработки экспериментальных данных 53
2.3.1. Структура и основные алгоритмы пакета программ для обработки экспериментальных данных 53
2.3.2. Универсальная библиотека подпрограмм 56
2.3.3. Блок предварительной обработки. Методика обработки экспериментальных данных 63
2.3.4. Блок моделирования сигналов навигационных ИСЗ и пространственного распределения ЭК 77
Выводы по второй главе 81
Глава 3. Оценка эффективности предложенного метода по экспериментальным данным 82
3.1. Минимальные размеры рабочей зоны 82
3.2. Геометрия эксперимента 85
3.3. Оценка точности восстановления максимального значения электронной концентрации и высоты максимума (в сравнении с данными дигизонда и IRI-90) 93
3.4. Оценка точности восстановления пространственного распределения электронной концентрации (в сравнении с данными радара HP и IRI-90) 98
3.5. Оценка точности восстановления полного электронного содержания 99
Выводы по третьей главе 110
Глава 4. Оценка эффективности применения метода восстановления пространственно-временного распределения электронной концентрации для решения практических задач 112
4.1. Методика относительных навигационных определений. Схема эксперимента 112
4.2. Оценка эффективности снижения ионосферных погрешностей при решении задач относительной навигации для наземных пользователей 119
4.3. Оценка эффективности снижения ионосферных погрешностей при решении задач относительной навигации для высотных пользователей 120
Выводы по четвертой главе 124
Заключение 125
Литература 127
- Анализ существующих методов моделирования ионосферы
- Пакет прикладных программ и методика обработки экспериментальных данных
- Оценка точности восстановления максимального значения электронной концентрации и высоты максимума (в сравнении с данными дигизонда и IRI-90)
- Оценка эффективности снижения ионосферных погрешностей при решении задач относительной навигации для наземных пользователей
Введение к работе
Диссертация посвящена разработке метода восстановления параметров пространственно-временного распределения электронной концентрации в ионосфере на основе параметризации решения системы интегральных уравнений для задержек навигационных сигналов, измеренных сетью двухчас-тотных приемных устройств GPS.
Актуальность темы. Как известно, ионосфера оказывает значительное влияние на функционирование широкого круга радиотехнических средств, использующих канал распространения радиоволн «Земля-Космос». Совершенствование систем навигации орбитальных станций и космических кораблей многоразового использования, коррекция положения низкоорбитальных навигационных искусственных спутников Земли (ИСЗ), радиолокационное слежение за космическими объектами и другие практические задачи предъявляют повышенные требования к точности описания пространственно-временного распределения электронной концентрации (ЭК) в ионосфере.
В настоящее время для получения информации о распределении ЭК в ионосфере над заданным районом земного шара используют метод дистанционного зондирования и метод моделирования. В первом случае ЭК измеряют с помощью средств ионосферного мониторинга (станции вертикального и наклонного зондирования, радары некогерентного рассеяния, метод частичных отражений, трансионосферное зондирование сигналами низкоорбитальных ИСЗ). Во втором случае пространственно-временное распределении ЭК получают с помощью глобальных и региональных моделей ионосферы. Заметим, что в обоих случаях наряду с достоинствами имеется ряд известных недостатков, ограничивающих широкое применение этих методов. Так, традиционные средства ионосферного мониторинга не удовлетворяют современным требованиям глобальности и оперативности получения информации о ЭК. Для этих средств измерений характерны стационарность, высокая стоимость и, как следствие, их ограниченное количество. Для моделей ЭК
характерна усредненная картина состояния ионосферы и, как следствие, худшая точность и достоверность данных. Поэтому, для учета конкретных гелиогеофизических условий данного дня и данного региона необходимо комбинирование методов зондирования и моделирования.
С появлением спутниковых радионавигационных систем (СРНС) второго поколения GPS и ГЛОНАСС началась активная разработка способов определения ЭК по результатам измерений задержек навигационных сигналов этих систем [1,2]. По измеренным приемным устройством задержкам навигационных сигналов с рабочими частотами f\ и /2 могут быть найдены запаздывания сигналов в ионосфере вдоль лучей «приемник - навигационный ИСЗ». Величина ионосферного запаздывания пропорциональна интегралу от пространственного распределения ЭК вдоль трассы распространения сигнала [3]. Набор измеренных ионосферных задержек сигналов навигационных ИСЗ, наблюдаемых в течение некоторого временного интервала, задает систему интегральных уравнений, которые связывают ряды ионосферных задержек навигационных сигналов с распределением ЭК в области пространства вдоль лучей «приемник - навигационные ИСЗ». Из этой системы уравнений может быть восстановлено распределение ЭК в ионосфере. В настоящее время для решения системы интегральных уравнений предложен ряд методов, основанных на различных подходах: томографическом [4,5,6], на решении с помощью уравнения Абеля [7,8], с помощью метода сопряженных градиентов [2,9], на использовании данных измерений для коррекции параметров феноменологической модели ионосферы [10,11] и ряд других. Рассматривались варианты использования измерений от датчиков, размещенных на Земле, на борту низкоорбитальных ИСЗ, и комбинированные варианты. В большинстве перечисленных работ для решения задачи восстановления ЭК используются данные суточных интервалов накопления измерений мировой приемной GPS-сети, обработка которых требует больших вычислительных затрат. В то же время, жизненно важной для многих радиосистем является оперативная информация о распределении электронов вдоль отдельных участков ионосфер-
ной радиотрассы в заданном регионе. Получение такой информации возможно с использованием региональных сетей приемных GPS-устройств при решении задачи ионосферного мониторинга по текущим измерениям.
Целью диссертации является разработка метода восстановления параметров распределения концентрации электронов в ионосфере с использованием сигналов региональной сети приемных устройств спутниковой радионавигационной системы GPS.
Для достижения данной цели необходимо решение следующих задач:
Параметризация решения системы интегральных уравнений для задержек навигационных сигналов, измеренных сетью двухчастотных приемных устройств GPS.
Разработка программного обеспечения для обработки исходных данных и решения задачи определения параметров пространственно-временного распределения электронной концентрации на основании текущих измерений.
Экспериментальная проверка согласованности результатов, полученных с помощью предлагаемого метода с результатами измерений и данными современных глобальных моделей ионосферы.
Оценка эффективности разработанного метода при его использовании для снижения ионосферной погрешности при относительных наземных и высотных (ионосферных) навигационных определениях в СРНС.
Научная новизна диссертации:
1. В первые разработан и экспериментально проверен метод восстановления параметров пространственно-временного распределения ЭК в ионосфере на основе параметризации решения системы интегральных уравнений для задержек навигационных сигналов, измеренных сетью двухчастотных приемных устройств GPS. Предлагаемый метод обеспечивает точность, срав-
нимую с точностью измерений аппаратными средствами, и более высокую точность по сравнению с моделью ионосферы IRI-90.
Впервые разработана единая компьютерная модель восстановления параметров пространственно-временного распределения ЭК, включающая пакет прикладных программ обработки дальномерных фазовых измерений: устранения грубых погрешностей, учета неоднозначности и аппаратурных задержек, а также расчета параметров высотного профиля ЭК.
На основе разработанного метода восстановления пространственно-временного распределения ЭК предложена новая методика учета ионосферной погрешности при определении относительного местоположения высотных (ионосферных) абонентов СРНС.
Основные положения, выносимые на защиту:
Разработанный в диссертации метод параметризации решения системы интегральных уравнений для задержек сигналов СРНС позволяет эффективно восстанавливать параметры пространственно-временного распределения электронной концентрации в ионосфере.
Разработанный пакет прикладных программ обработки данных измерений ионосферной задержки сигналов СРНС позволяет получить данные пространственно-временного распределения полного электронного содержания, аппаратурных задержек, а также рассчитать параметры высотного профиля электронной концентрации.
Синтезированные пространственно-временные распределения электронной концентрации согласуются с данными радара некогерентного рассеяния и ионозонда вертикального зондирования, а также с данными модели IRI-90.
Использование предложенного метода восстановления электронной концентрации существенно снижает ионосферную погрешность при относительных высотных (ионосферных) навигационных определениях в СРНС.
Достоверность и обоснованность основных результатов и выводов работы определяется согласованностью результатов восстановления распределения ЭК с результатами экспериментальных измерений, а также согласованностью результатов работы с подобными данными, полученными рядом исследователей ранее.
Результаты работы реализованы при выполнении:
заказных научно-исследовательских работ "ЦЕНТАВР-2000" (30 ЦНИИ МО РФ, г. Щелково, Моск. обл.), "АДМИРАЛ-99" (ГЛИЦ МО РФ, г. Ахтубинск);
инициативной научно-исследовательской работе "БАГУЛЬНИК-2000" в научно-исследовательской лаборатории Иркутского военного авиационного инженерного института;
при выполнении госбюджетной тематики лаборатории распространения радиоволн НИИ ПФ ИГУ, по гранту Министерства образования РФ № Е02-35-197, по гранту поддержки Ведущих научных школ РФ №НШ-272.2003.5;
материалы диссертации используются в учебном процессе ИГУ по специальности "Радиофизика и электроника" в курсах "Излучение и распространение радиоволн", "Радиофизический мониторинг".
Практическая значимость. Разработанные в диссертации алгоритмическое обеспечение и программный продукт могут быть использованы:
при создании оперативных систем диагностики ионосферы с использованием GPS;
для восстановления пространственно-временного распределения концентрации электронов в ионосфере в интересах повышения качества функционирования систем космической связи;
для расчета ионосферных погрешностей абсолютных и относительных навигационных определений высотных (ионосферных) абонентов СРНС;
для уточнения максимально-применимых частот на коротковолновых трассах.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены в виде выступлений и докладов на следующих научных семинарах, научных и научно-технических конференциях:
Восьмом международном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы" (г. Иркутск, июнь 2001 г.).
Международной научно-практической конференции САКС (г. Красноярск, декабрь 2001 г.).
XX Всероссийской конференции по распространению радиоволн (г. Нижний Новгород, 2-4 июля 2002 г.).
XIII Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы повышения боевой готовности и применения, технической эксплуатации и обеспечения безопасности полетов летательных аппаратов с учетом климатогеографических условий Сибири, Забайкалья и Дальнего востока" (г. Иркутск, июнь 2003 г.)
Научном семинаре при 2 Центральном научно-исследовательском институте МО РФ. (г. Тверь, декабрь 1998 г.).
Научных семинарах при Иркутском государственном университете.
Научных семинарах адъюнктов и соискателей при Иркутском военном авиационном инженерном институте (февраль 1999 г., март 2000 г., февраль 2001г., февраль 2002 г.).
Личный вклад автора. Основные результаты диссертации, опубликованные в 12 работах [12-23], являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при его прямом участии.
Автор принимал непосредственное участие в разработке метода восстановления пространственно-временного распределения параметров электронной концентрации в ионосфере и пакета программ для обработки двух-частотных дальномерных фазовых измерений. Автором лично разработаны алгоритмы и программы для устранения грубых погрешностей и разрешения неоднозначности фазовых измерений, восстановления значений аппаратурной и ионосферной задержек, восстановления значений параметров распределения максимального значения и высоты максимума ЭК с соответствующим программным обеспечением.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав материала и заключения с общим объемом в 134 страницы, включая список цитируемой литературы из 74 наименований и 29 рисунков.
Во введении дана общая характеристика работы, раскрыта ее актуальность, сформулированы цель диссертации и решаемые задачи, определены положения, выносимые на защиту, обоснована научная новизна и практическая значимость выполненных исследований. Приведено краткое содержание диссертации.
В первой главе рассматриваются существующие методы дистанционного зондирования ионосферы: методы вертикального и наклонного зондирования, метод некогерентного рассеяния, а также методы изучения ионосферы, основанные на трансионосферном распространении радиоволн, источником которых может быть естественное галактическое излучение или передатчик на борту ИСЗ. Анализируются достоинства и основные недостатки методов дистанционного зондирования ионосферы. Также рассматриваются модели ионосферы: теоретические, эмпирические и гибридные. Анализируются основные преимущества и недостатки ионосферных моделей.
Здесь же рассматривается метод трансионосферного зондирования с помощью сигналов среднеорбитальной спутниковой радионавигационной
системы GPS. Выводится основное уравнение трансионосферного зондирования, приведены основные соотношения, определяющие величину фазовой и групповой задержек сигналов навигационных ИСЗ GPS в ионосфере, а также формулы, связывающие величину ПЭС с разностью задержек на двух частотах, обсуждаются методы решения системы интегральных уравнений. Производится постановка задачи исследований.
Во второй главе разрабатывается методика параметризации решения системы интегральных уравнений, связывающих ряды задержек навигационных сигналов с распределением заряженных частиц в области пространства вдоль лучей «приемник - навигационные ИСЗ» и разрабатывается структура пакета программ для обработки двухчастотных дальномерных фазовых измерений, рассматриваются алгоритмы для устранения грубых погрешностей и разрешения неоднозначности фазовых измерений, восстановления значений аппаратурной и ионосферной задержек, восстановления значений параметров распределения максимального значения и высоты максимума электронной концентрации.
В третьей главе приводится общая характеристика и результаты экспериментальной проверки согласованности результатов, полученных с помощью предлагаемого метода с результатами измерений и данными современных глобальных моделей ионосферы. Приводятся расчеты рабочей зоны, выбор, расположение и количество GPS-станций, выбор дней и интервалов времени наблюдения. Приводятся данные восстановления ионосферных и аппаратурных задержек, определяется точность исходных данных. Также приводятся результаты восстановления максимального значения N„, и высоты максимума zm электронной концентрации, результаты восстановления пространственного распределения значений электронной концентрации и их сравнение с результатами измерений и расчетами с помощью современных глобальных моделей ионосферы. Приведены примеры восстановленных высотных распределений электронной концентрации в точке с координатами, соответствующими расположению радара некогерентного рассеяния. Кроме
того, приводятся данные сравнения измеренных значений ПЭС и значений ПЭС полученных путем интегрирования высотных распределений электронной концентрации, восстановленных с помощью предложенного метода.
В четвертой главе показана эффективность применения разработанного метода восстановления ЭК при решении задач относительных местоопре-делений в СРНС GPS. Здесь приводятся принципы относительных навигационных определений в СРНС GPS, а также данные по оценке эффективности снижения ионосферной погрешности определения относительного местоположения наземных и высотных абонентов СРНС.
В заключении сформулированы основные результаты диссертации.
Анализ существующих методов моделирования ионосферы
Теоретические модели учитывают основные физические механизмы образования ионосферы. Данные о параметрах ионосферы являются результатом решения системы уравнений, выражающих основные физические законы применительно к условиям верхней атмосферы. Входными параметрами служат интенсивность солнечного коротковолнового излучения и индексы геомагнитных возмущений (Кр, Ар), что характеризует ожидаемую гелиогео-физическую обстановку. Теоретическая модель включает уравнения движения и непрерывности для электронов и положительных ионов, уравнения движения для расчета скоростей термосферного ветра, а также уравнения теплового баланса для расчета температур плазмы. При наиболее распространенном в настоящее время подходе предполагается, что нейтральный состав и температура заданы одной из термосферных моделей, хотя предпринимаются попытки создания моделей, в которых нейтральный состав, температура и концентрации заря женных частиц рассчитываются совместно путем решения уравнений для нейтральных и ионизованных составляющих атмосферы [31]. При разработке надлежащих программ в результате расчета можно получить все требуемые ионосферные параметры. Основной недостаток такого подхода заключается в том, что для получения результатов расчета за достаточно короткий интервал времени необходимо применение мощных вычислительных средств. Кроме того, для такого подхода характерны трудности, связанные с выбором внутренне согласованной системы аэрономических параметров, а для возмущенных условий важны также данные об электрических полях и корпускулярных потоках. Хотя теоретические основы для детерминированных расчетов в настоящее время разработаны в достаточной мере, но из-за отсутствия надежных данных о входных аэрономических параметрах расчеты ЭК в Р2-области продолжают представлять интерес[30]. Эмпирические модели основаны на обобщении ряда наблюдений отдельных ионосферных параметров, и результаты могут быть представлены в виде графиков, таблиц пли формул.
Например, в статистических моделях [32] и [33] даются карты планетарного распределения параметров ионосферы в зависимости от координат, местного времени и уровня солнечной активности. Примером другого типа статистической модели является «Международная справочная модель ионосферы» [34], построенная на основе экспериментальных данных. Модель позволяет рассчитать профили электронной концентрации, относительную концентрацию различных сортов положительных ионов, профили температур (Те, Ті, Тп), частоты соударений и дает сведения об отрицательных ионах в D-области. Модель предназначена для нескольких широтных зон, трех сезонов (зима, лето, равноденствие) и трех уровней солнечной активности. Основная трудность при построении полных статистических моделей состоит в необходимости учета большого числа параметров, а так же получения весьма обширной и разносторонней информации по целому ряду ионосферных параметров: электронной концентрации, высотам слоев, ионному составу, температурам плазмы и т. д., что требует разносторонних и длительных наблюдений. Кроме того, приходится учитывать сложное влияние геомагнитного поля на ионосферную плазму. При этом оказывается, что имеющихся в наличии данных наблюдений недостаточно для построения наиболее адекватной модели [30,35]. Низкое значение отношения объема накопленной информации к требуемой при статистическом подходе объясняется в основном неравномерностью распределения по земному шару станций, где производятся наблюдения, и наличием огромных территорий, где такие наблюдения вовсе не проводятся. Наблюдения при внешнем зондировании ионосферы пока немногочисленны и относятся к ограниченному набору геофизических условий. Одним из возможных выходов из создавшегося положения является построение так называемых гибридных моделей, которые сочетают в себе элементы как статистических, так и теоретических моделей [36]. Теоретическая часть такой модели представляет собой систему дифференциальных уравнений, учитывающих влияние основных процессов в данной области ионосферы. Рассчитанное распределение электронной концентрации корректируется затем по значениям высоты и электронной концентрации в максимуме слоя F2, полученным в свою очередь в результате статистической обработки данных ионосферного зондирования [30].
При таком подходе до некоторой степени снимаются трудности, связанные с неопределенностью в задании системы аэрономических параметров, особенно нейтрального состава, термо сферных ветров и электрических полей, которые сильно влияют на высоту hm, а тем самым и на электронную концентрацию Nm. Примерами гибридных моделей могут служить модели [37,38,39,40], которые предназначаются для расчета профилей электронной и ионной концентраций в среднеширотной области в зависимости от координат, сезона, местного времени и уровня солнечной активности. Следует отметить, что в практическом отношении, например для задач расчета трасс распространения радиоволн, гибридные модели ионосферы являются, по-видимому, наиболее удобными. Действительно, теоретическая часть модели, как правило, выбирается простой, что позволяет за приемлемое
Пакет прикладных программ и методика обработки экспериментальных данных
В настоящее время существуют пакеты программ для обработки RINEX-файлов, предназначенные для решения различного рода задач (в большей части - геодезических). Однако, эти программы являются узкоспециальными и, кроме того, не позволяют рассчитывать параметры ионосферы, что делает невозможным применение этих программ для решения задач восстановления параметров пространственно-временного распределения ЭК в ионосфере. В связи с вышеизложенным, была поставлена задача разработать пакет программ, позволяющий решать следующие задачи: а) предварительная обработка RINEX-файлов с целью: - устранения грубых погрешностей измерений (выбросов, перескоков и срывов фазы и т.д.); - расчет координат спутников в Гринвичской геоцентрической прямоугольной системе координат, их углов места и азимутов, а также географических координат подионосферных точек; - представление данных в формате, удобном для дальнейшей обработки; - объединение данных различных спутников и различных пунктов приема. б) расчет значений параметров пространственно-временного распреде ления ЭК в ионосфере по данным групповых и фазовых измерений; в) моделирование пространственно-временного распределения ЭК вдоль трассы «навигационный ИСЗ-потребитель» с помощью модели IRI-90; г) моделирование задержки сигналов навигационных ИСЗ при распро странении на трассе «навигационный ИСЗ-потребитель» с помощью модели IRI-90; На рис. 2.1 приведена блок-схема пакета прикладных программ. Пакет программ состоит из четырех основных блоков: - универсальная библиотека подпрограмм; - блок предварительной обработки; - блок расчета параметров пространственно-временного распределения ЭК; - блок моделирования. Универсальная библиотека подпрограмм используется для расчетов прямоугольных геоцентрических и географических координат навигационного ИСЗ, подспутниковых и подионосферных точек, для расчета углов места и азимута навигационного ИСЗ, для пересчета времени, для считывания данных из RINEX-файлов. В блоке предварительной обработки из RINEX-файлов считываются ряды данных групповых и фазовых псевдодальностей, затем производится проверка наличия грубых погрешностей измерений и их отсев, далее производится определение параметра фазовой неоднозначности, значений групповых задержек навигационного сигнала в аппаратуре навигационных ИСЗ и приемников.
В блоке расчета параметров пространственно-временного распределения ЭК производится оценивание значений ионосферных параметров. В блоке моделирования строится модель задержки навигационного сигнала ИСЗ, а также моделируется пространственно-временное распределение ионосферной задержки и вертикального и наклонного ПЭС в ионосфере, пространственно-временное распределение максимального значения и высоты максимума ЭК в ионосфере с помощью модели ионосферы IRI-90. Универсальная библиотека подпрограмм используется при первичной обработке GPS-файлов, а также при моделировании задержек сигналов навигационного ИСЗ в ионосфере. В универсальную библиотеку входят: - алгоритмы расчета положения спутника на орбите в прямоугольной геоцентрической системе координат (xs, ys, zs) по данным навигационного RINEX-файла; - алгоритмы перехода из географической системы координат (/, Ь, И) в прямоугольную геоцентрическую (х, у, z) и обратно; - алгоритмы расчета углов места у и азимута As спутников по данным навигационного RINEX-файла; - алгоритмы расчета географических координат (/,, bu hi) подионосфер-ных точек спутников; - алгоритмы пересчета времени из гражданского формата (год, месяц, день, час, минута, секунда) в системное время Tgps (неделя, секунда) и обратно; - алгоритмы считывания данных из навигационного RINEX-файла и RINEX-файла наблюдений; Подробно алгоритм расчета параметров движения спутников рассмотрен в [56,57,58]. Ниже приведены исходные данные, передаваемые в блоках навигационных файлов спутников [56,57], необходимые для расчета значений xs, ys, zs а) вычисляется момент tk от эпохи системного времени GPS где tops - системное время в момент передачи навигационного сообщения, равное времени приема, скорректированному на время распространения величиной R/c, б) вычисляется скорректированное среднее движение п где п0 = (//Яо3) ; а0 = у , в) определяется текущее значение средней аномалии Мк в момент 4 г) решается уравнение Кеплера для эксцентрической аномалии ЕК Решение этого уравнения получается итеративным методом Ньютона, используя выражение для последовательных итераций («=1,2,...) и значение Мк в качестве первого приближения EKj=MK. Практика показывает, что уже после трех итераций значение Екп не отличается от Ек„+], д) определяется истинная аномалия вк в момент времени 4 е) вычисляется аргумент широты Фк где Ащ = Сис cos 2Фк+Сш sin 2Ф, з) определяется текущее значение исправленного радиус-вектора п где Агк = Сгс соз2Ф4 + С„ sin 2Ф . и) определяется исправленный угол наклона орбиты 4
Оценка точности восстановления максимального значения электронной концентрации и высоты максимума (в сравнении с данными дигизонда и IRI-90)
В работе было выполнено сравнение восстановленных предложенной методикой значений jVmnzfflc соответствующими данными цифрового ионозонда ВЗ Millstone Hill. Из общего объема данных измерений ионозонда в формате SAO для моментов времени, соответствующих анализируемым нами временным интервалам, нами были выбраны значения истинной высоты максимума и критической частоты слоя F2. Значения критических частот стандартным образом пересчитывались в значения ЭК [70]. По предложенному в работе методу и по модели IRI, были определены значения Nmnzm. Результаты сравнения полученных параметров с их измеренными цифровым ионозондом значениями приведены в таблицах 3.3-3.6. Здесь представлены погрешности (среднеквадратические отклонения (СКО) измеренных и восстановленных значений) определения максимальной концентрации электронов и высоты максимума слоя F2- aNm и oz„, и oN„,IRI и згтш для предлагаемого метода и модели IRI, соответственно. Из таблиц видно, что СКО погрешностей восстановления максимального значения ЭК GN„, ДЛЯ анализируемых суток составило в среднем от 4.2% до 20.2%. Для модели IRI те же величины лежали в диапазонах от 8.2% до 30.7%. СКО погрешностей im по сравнению с измерениями ионозонда составили от 4.5% до 14.2% для предложенного метода и от 5.2% до 17.8% для IRI. Анализ результатов показывает, что СКО погрешностей восстановления максимального значения ЭК зЫт для анализируемых суток в среднем в в среднем в 3.8, 4.5, 2.7, и 5.8 раз меньше по сравнению с аЫтш для ночного, утреннего, дневного и вечернего интервалов времени, соответственно. 4Ь. Таблица 3.3. Среднеквадратические погрешности значений максимума электронной концентрации Nm и высоты максимума zm, восстановленных по измерениям GPS-сигналов, и полученных с помощью модели IRI-90 по сравнению с измерениями цифрового ионозонда Millstone-HiU для зимнего периода (дни 021, 058 и 343) Таблица 3.4.
Среднеквадратические погрешности значений максимума электронной концентрации Nm и высоты максимума zm, восстановленных по измерениям GPS-сигналов, и полученных с помощью модели IRI-90 по сравнению с измерениями цифрового ионозонда Millstone-Hill для весеннего периода (дни 083, 112 и 147). В то же время, СКО погрешности восстановления высоты максимума GZ„, в 1.2 - 1.6 раза ниже, чем JZ„,IR] для рассматриваемых интервалов времени суток. На рисунке 3.7 представлены примеры временного хода максимального значения Nm и высоты максимума zm электронной концентрации для восстановленных значений, данных ионозонда и модели IRI для временных интервалов исследуемых суток. Для проверки предлагаемого метода радаром HP Millstone Hill в течение выбранных суток выполнялись измерения ЭК в меридиональной плоскости с углами места от 20 до 90 в северном и в южном направлении. Получаемые при этом широтно-высотные разрезы ЭК соответствовали примерно 20-ти градусному интервалу по широте. Для тех же условий были получены данные с помощью модели IRI-90. В таблицах 3.7 - 3.10 представлены значения СКО погрешностей определения ЭК по всем сезонам для интервалов высот 200...400 км и 400...800 км (oNIRI - для модели IRI, GN - для предлагаемого метода). Следует отметить, что погрешности восстановления ЭК для модели IRI максимальны в области высот 200...500 км и в основном превышают соответствующие значения для предлагаемого метода. Из данных, представленных в таблицах, следует, что, в зависимости от времени суток, СКО погрешностей восстановления электронной концентрации предлагаемым методом составляют от 8.8% до 19.8% и от 4.2% до 9.8% для интервалов высот 200-400 и 400...800 км, соответственно. Анализ данных показывает, что величина GNM в 1.0-1.5 раза превышает oN для ночного, в 2.5-2.8 раза - для ут реннего, в 2.0-2.5 раза - для дневного и в 1.6-2.2 раза для вечернего интервалов времени рассматриваемых суток.
Погрешности определения Nm и zm при сравнении восстановленных значений с данными радара HP имеют качественно схожий характер с погрешностями, полученными по данным ионозонда. На рисунке 3.8 представлены примеры высотных распределений электронной концентрации восстановленные с помощью предлагаемого метода, измеренные радаром HP и полученные по данным модели IRI для временных интервалов исследуемых суток. На рисунке 3.9 представлены примеры высотно-широтных разрезов распределения электронной концентрации, восстановленные с помощью предлагаемого метода, измеренные радаром HP и полученные по данным модели IRI для временных интервалов исследуемых суток (значения N рис. 3.9(6) и 3.9(г) соответствуют значениям тУрис. 3.9(a)). В работе было выполнено сравнение измеренных значений ПЭС и значений ПЭС полученных путем интегрирования высотных распределений ЭК, восстановленных с помощью предложенного метода. На рисунке 3.10 приведены примеры долготно-широтных распределений ПЭС для различных сезонов и моментов времени, а также величины относительных погрешностей. Анализ результатов показывает, что относительные погрешности восстановленных значений ПЭС при сравнении с измеренными не превышают в среднем 3-12%. Более высокая точность восстановления соответствует ночным и дневным временным интервалам. Более низкая точность соответствует утренним и вечерним временным интервалам.
Оценка эффективности снижения ионосферных погрешностей при решении задач относительной навигации для наземных пользователей
Для оценки эффективности применения предложенного метода для снижения ионосферных погрешностей относительных местоопределений было выполнено сравнение относительных координат без учета ионосферных задержек сигналов и с их учетом. В качестве опорной станции использовалась станция BRU1, в качестве определяемых WES2 и GODE. Расчеты про водились для часового интервала измерений. Результаты приведены на графиках (рис. 4.3). По результатам эксперимента можно сделать вывод о повышении точности относительного местоположения наземных объектов при использовании предлагаемой методики для компенсации ионосферной составляющей погрешности. При этом средняя погрешность определения базовой линии составила 478 м без учета ионосферной погрешности и 350 м с учетом ионосферной погрешности для базовой линии 780 км, что составляет примерно 26% улучшения точности определения длины базовой линии. Для базовой линии длиной порядка 188 км средняя погрешность составила 110 м и 96 м без учета ионосферной погрешности и с учетом, соответственно. Для оценки эффективности применения предложенного метода восстановления пространственно-временного распределения ЭК для снижения ионосферных погрешностей относительных местоопределений для объектов, находящихся на ионосферных высотах, было выполнено сравнение относительных координат без учета ионосферных задержек сигналов и с учетом ионосферных задержек сигналов. В качестве опорной станции использовались станции GODE и YOU1, в качестве определяемой GPS-приемник, установленный на борту низкоорбитального ИСЗ CHAMP. Расчеты проводились для двух 15-ти минутных интервалов измерений, соответствующих нахождению ИСЗ CHAMP в пределах рабочей зоны наземных станций.
Рассчитанные значения длины базовой линии сравнивались с их истинными (геометрическими) значениями для трех случаев. В первом случае, расчет проводился без учета ионосферных погрешностей. Во втором случае, ионосферная погрешность учитывалась с помощью модели ПЭС. В третьем случае, ионосферная погрешность учитывалась с помощью предложенного метода. Результаты приведены на графиках (рис. 4.4). Средняя погрешность определения длины базовой линии составила 516 м без учета ионосферной погрешности, 767 м при использовании модели ПЭС и 369 м при использовании предлагаемого метода, что составляет примерно 28% улучшения точности определения при длине базовой линии 670 - 1100 км. Для базовой линии длиной порядка 750 - 1300 км средняя погрешность составила 748 м, 827 м и 439 м соответственно без учета ионосферной погрешности, с использованием модели ПЭС и предлагаемого метода. По результатам эксперимента можно сделать вывод о том, что применение модели ПЭС приводит к появлению дополнительной погрешности и, как следствие, к ухудшению точности относительного местоположения объектов, находящихся на ионосферных высотах. Использование предлагаемого метода для компенсации ионосферной составляющей погрешности вместо модели ПЭС повышает точность относительного местоположения объектов, находящихся на ионосферных высотах. 1. Проведена оценка разностей ионосферных задержек сигналов навигационных ИСЗ при различных удалениях определяющихся объектов в режиме относительных местоопределении. При увеличении расстояния между определяющимися объектами от 200 км до 800 км разность ионосферных задержек также увеличивается от 1 м до 8 м. 2. Получены оценки для погрешности определения длины базовой линии при учете ионосферной погрешности и без учета для наземных объектов в режиме относительных местоопределении. При этом использование предлагаемого метода позволяет снизить общую погрешность определения длины базовой линии на 6% для 188 км и на 26% для 780 км базовых линий. 3. Получены оценки для погрешности определения длины базовой линии без учета ионосферной погрешности, при учете с помощью предлагаемого метода восстановления пространственно-временного распределения электронной концентрации и при учете с помощью модели полного электронного содержания для комбинации "наземный объект - объект на ионосферных высотах" в режиме относительных местоопределении. При этом, использование предлагаемого метода позволяет снизить общую погрешность определения длины базовой линии на 28% для базовой линии 670 - 1100 км и на 41% для базовой линий 750 - 1300 км. Исследования, проведенные в настоящей работе посвящены разработке метода восстановления параметров пространственно-временного распределения электронной концентрации в ионосфере на основе параметризации решения системы интегральных уравнений для задержек навигационных сигналов, измеренных сетью двухчастотных приемных устройств GPS. При этом получены следующие новые научные результаты 1. Предложен метод восстановления пространственно-временного рас пределения электронной концентрации в ионосфере, основанный на пара метризации решения обратной задачи зондирования ионосферы для регио нальной сети приемных устройств GPS. 2.
Разработан пакет прикладных программ для решения задачи определения параметров пространственно-временного распределения электронной концентрации по текущим измерениям ионосферной задержки навигационных сигналов спутниковой радионавигационной системы. 3. Проведена экспериментальная проверка согласованности результатов, полученных с помощью разработанного метода, с результатами измерений и данными модели ионосферы IRI-90. Для четырех часовых интервалов двенадцати магнитоспокойных дней определены погрешности определения максимальных значений N„, и высот максимума электронной концентрации zm по сравнению с данными цифрового ионозонда. Анализ результатов показывает, что СКО погрешностей восстановления максимального значения ЭК в среднем в 1.2 - 2.2 раза меньше для предлагаемого метода по сравнению с данными модели IRI. В то же время, СКО погрешности восстановления высоты максимума в 1.2 - 1.6 раза меньше для предлагаемого метода по сравнению с данными модели IRI-90. 4. Для тех же интервалов времени оценены погрешности восстановленных значений электронной концентрации и данными модели ионосферы IRI-90 по отношению к измерениям радара некогерентного рассеяния. В зависи
Похожие диссертации на Восстановление параметров распределения концентрации электронов в ионосфере с использованием сигналов региональной сети приемных устройств спутниковой радионавигационной системы GPS
