Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ проблемы навигационного обеспечения воздушных судов (ВС) гражданской авиации (ГА) при использовании спутниковых систем навигации (ССН) GPSиГЛОНАСС 17
1.1. Требования к навигационному обеспечению ВС в условиях реализации концепции 1С АО CNS/ATM 18
1.2. Анализ современного состояния ССН NAVSTAR GPS и ГЛОНАСС 24
1.3. Погрешности ССН, вносимые средой на трассе распространения сигналов и методы их определения 35
1.4. Особенности построения бортовой навигационной аппаратуры ССН GPS и ГЛОНАСС 45 ,
1.5. Основные результаты главы 1 51
Глава 2. Влияние околоземного космического пространства на функционирование ССН 52
2.1. Околоземное космическое пространство - среда распространения сигналов ССН 53
2.2. Ионосфера как основной источник погрешностей ССН 67
2.3. Анализ дисперсионных характеристик ионосферы в низкочастотной и высокочастотной частях спектра 76
2.4. Распространение высокочастотных сигналов в околоземном космическом пространстве 89
2.5. Взаимодействие «волна-частица» в ионосфере как фактор, влияющий на погрешности ССН 99
2.6. Основные результаты главы 2 107
Глава 3. Навигационное обеспечение ВС ГА в условиях возмущенной по полному электронному содержанию ионо сферы 108
3.1. Модель ионосферы как инструмент уменьшения ионосферных погрешностей ССН 109
3.2. Навигационное обеспечение ВС в среднеширотной ионосфере ... 135
3.3. Навигационное обеспечение ВС в высокоширотной ионосфере.. 150
3.4. Навигационное обеспечение ВС в субавроральной ионосфере... 160
3.5. Основные результаты главы 3 171
Глава 4. Навигационное обеспечение ВС ГА в условиях возмущенной по волновой активности ионосферы 174
4.1 Механизм возникновения неустойчивости потока вторичных электронов над авроральной ионосферой 177
4.2. Навигационные эффекты неустойчивости потока вторичных электронов над авроральной ионосферой в области низких частот 181
4.3. Навигационные эффекты ионно-звуковой турбулентности в области низких частот 189
4.4. Навигационные эффекты ионно-звуковой турбулентности в ; области высоких частот 194
4.5. Основные результаты главы 4 204
Глава 5. Результаты экспериментальных исследований влияния возмущенной ионосферы на навигационное обеспечение ВС ГА 206
5.1. Анализ проблемы определения ионосферных погрешностей в CCHGPS 206
5.2. Теоретическое обоснование возможности определения ионосферных погрешностей ССН с помощью одночастотных приемников GPS 211
5.3. Аппаратно-программное обеспечение методики определения ионосферных погрешностей ССН GPS 220
5.4. Методика определения ионосферных погрешностей ССН GPS... 240
5.5. Применение предложенной методики определения ионосферных погрешностей ССН GPS для навигационного обеспечения ВС ГА и диагностики ионосферы 253
5.6. Анализ проблемы многолучевого распространения сигналов ССН как источника ошибок позиционирования в навигационном обеспечении ВС ГА 267
5.7. Экспериментальное исследование качества приема сигналов ССН двумя одночастотными приемниками GPS для ВС ГА... 275
5.8. Основные результаты главы 5 285
Заключение 289
Литература 292
Приложения 314
Список сокращений 324
- Анализ современного состояния ССН NAVSTAR GPS и ГЛОНАСС
- Ионосфера как основной источник погрешностей ССН
- Навигационное обеспечение ВС в среднеширотной ионосфере
- Навигационные эффекты неустойчивости потока вторичных электронов над авроральной ионосферой в области низких частот
Введение к работе
Актуальность работы. На долю воздушного транспорта в общем объеме перевозок в Российской Федерации приходится более трети всего пассажирооборота и существенная часть грузоперевозок. Особую роль в процессе эксплуатации воздушного транспорта играет проблема обеспечения регулярности и безопасности полетов, включающая в себя множество составляющих, важнейшая из которых – организация и надежность функционирования системы УВД. Как известно, система УВД является достаточно сложной, многоуровневой системой, в которую входит широкий комплекс технических средств. Источниками информации для системы УВД в настоящее время служат первичные и вторичные радиолокаторы, автоматические радиопеленгаторы, радиотехнические средства навигации, средства связи и другое радиооборудование.
Любой сбой в работе системы УВД потенциально может привести к авиационному происшествию или катастрофе. Анализ авиационных происшествий показывает, что наиболее распространенными их причинами является нарушение правил эшелонирования и потеря экипажем ориентации в пространстве при заходе на посадку.
Очевидно, что обе причины связаны с недостаточной эффективностью навигационного обеспечения ВС, которое в настоящее время в основном обеспечивается традиционными средствами навигации, большинство из которых являются радионавигационными системами (РНС).
Основными проблемами, возникающими при использовании традиционных РНС, является увеличение количества передаваемой по радиоканалу информации, повышение помехоустойчивости этого радиоканала и точности выделения навигационной информации. Кроме того, большинство современных традиционных РНС используют для передачи навигационной информации УКВ-радиоканалы, что существенно ограничивает дальность их действия. Использование в качестве носителя навигационной информации низкочастотных радиоволн неэффективно из-за их сильного затухания при распространении и ограничения количества переносимой волной информации.
Перечисленные недостатки традиционных РНС привели к тому, что в концепции ICAO CNS/ATM предусмотрена организация навигационного обеспечения ВС ГА на базе спутниковых систем навигации (ССН).
ССН имеет ряд преимуществ перед традиционными РНС:
глобальность действия, которая следует из самой структуры системы;
высокая точность позиционирования и независимость от внешних условий, которые обеспечиваются характеристиками сигнала, применяемого для передачи навигационной информации;
неограниченная пропускная способность, вытекающая из принципа действия системы;
возможность реализации дифференциального режима с использованием базовых элементов системы.
В настоящее время, в связи с началом внедрения в систему УВД некоторых элементов концепции ICAO CNS/ATM, значительно ужесточились требования к качеству навигационного обеспечения ВС, что приводит к необходимости повышения целостности, надежности и точности позиционирования ССН.
Принцип работы ССН основан на передаче кодированных радиосигналов от навигационного спутника (НС) к пользовательскому оборудованию (ПО), работающему в пассивном режиме. Источник навигационной информации здесь заключен в самом сигнале. Это априори подразумевает наличие погрешностей позиционирования, вызванных отличными от традиционных РНС причинами.
Погрешности позиционирования ССН можно отнести к трем типам:
-
Погрешности, связанные с качеством навигационного сигнала – ошибки эфемерид, в том числе обусловленные влиянием на НС возмущений гравитации, давления солнечного ветра, сдвига магнитных полюсов Земли и ошибки спутниковых часов (в том числе обусловленные релятивистскими и гравитационными эффектами при движении по круговым орбитам);
-
Погрешности, связанные с несовершенством ПО – ошибки часов ПО, шумовые, вычислительные погрешности, погрешности дискретизации;
-
Погрешности, вносимые средой распространения сигнала – ионосферная и тропосферная рефракция, изменение траектории сигнала вследствие многолучевого распространения.
Количественные значения погрешностей определения координат в технически исправной ССН определяются условиями распространения навигационного сигнала, которые, в свою очередь, зависят от сезона, времени суток, метеоусловий, уровня геомагнитной и солнечной активности. Однако многочисленные исследования показывают, что при любых условиях основной вклад в ошибки позиционирования ССН дает атмосфера. При этом установлена прямая зависимость между величиной ошибки позиционирования 3-го типа и полным электронным содержанием (ПЭС), представляющим собой количество электронов в радиальном относительно поверхности Земли столбе единичного сечения околоземного космического пространства (ОКП).
Для примера на рис.1, по данным с официального сайта GPS, показано влияние различных факторов на точность определения координат в ССН GPS.
Рис. 1. Влияние различных факторов на величину ошибки позиционирования в ССН GPS.
Следует отметить, что на этапе разработки ССН считалось, что влиянием среды, в которой происходит распространение их сигналов, можно пренебречь. В период первоначальной эксплуатации ССН погрешности, вносимые средой, не имели определяющего влияния на точность позиционирования вследствие превалирования над ними ошибок 1-го и 2-го типов. Однако сегодня значительно ужесточаются требования определенных групп потребителей навигационной информации к качеству навигационного обеспечения. Кроме того, ряд технических и программных решений позволил значительно снизить влияние на качество навигационного обеспечения ошибок 1-го и 2-го типов. Это привело к тому, что на сегодняшний день среда распространения сигналов НС является главной причиной ошибок позиционирования ССН, причем, в силу природного характера этих ошибок, уменьшить их техническими средствами невозможно.
Анализ данных, приведенных на рис.1 показывает, что основной вклад в ошибки, обусловленные средой распространения сигналов ССН, вносит ионосфера. Тропосферная погрешность имеет намного меньшую величину вследствие малости высотной протяженности тропосферы (1520 км) по сравнению с ионосферой (~500 км). Кроме того, для большинства задач воздушной навигации тропосферная погрешность при использовании модели стандартной тропосферы лежит в пределах требуемой точности местоопределения.
Итак, ионосфера дает основной вклад в величину ошибок позиционирования ССН. При этом необходимо заметить, что ионосфера большую часть времени находится в возмущенном состоянии, что приводит к увеличению погрешностей ССН. Кроме того, в настоящее время установлено, что ионосфера является единственной причиной (нетехнического характера) сбоев в работе ССН, что также особенно явно проявляется во время ионосферных возмущений.
Отметим, что в двухчастотном ПО проблема компенсации ионосферных погрешностей решена с достаточной точностью. Однако навигационное обеспечение ВС ГА по ряду причин экономического и технического характера построено на использовании в качестве бортового оборудования одночастотного ПО, для которого проблема компенсации ионосферных погрешностей, в силу вышесказанного, имеет важное значение.
Таким образом, возникает актуальная научная проблема повышения эффективности навигационного обеспечения воздушных судов гражданской авиации путем уменьшения ионосферных погрешностей ССН.
Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение эффективности навигационного обеспечения ВС гражданской авиации в условиях возмущенной ионосферы при использовании в качестве основного средства навигации одночастотных приемников ССН. Для достижения этой цели были решены следующие задачи:
проведен анализ требований к навигационному обеспечению ВС гражданской авиации в условиях реализации концепции ICAO CNS/ATM, предполагающей в качестве основы подсистемы навигации глобальные ССН;
проведен анализ погрешностей ССН, обусловленных средой распространения сигналов НС, дисперсионных характеристик ОКП в низко- и высокочастотной областях спектра и сравнительный анализ моделей ионосферы относительно точности представления ионосферных параметров и возможности использования в программном обеспечении одночастотного ПО;
исследован процесс взаимодействия низкочастотных (НЧ) волн с ОКП с целью расчета вклада данного типа взаимодействия в ионосферные погрешности ССН;
разработана модель системы «ионосфера-плазмосфера» на основе численного решения системы гидродинамических уравнений, в которой учтены процессы взаимодействия НЧ волн с ОКП, с целью её использования в качестве инструмента уменьшения ионосферных погрешностей ССН;
в рамках модели определено влияние возмущенной по концентрации ионосферы на навигационное обеспечение ВС ГА в средних и высоких широтах;
на основе модели определено влияние на навигационное обеспечение ВС ГА возмущенной по волновой активности ионосферы в высоких широтах;
Разработано физико-математическое и аппаратно-программное обеспечение методики определения ионосферных погрешностей ССН GPS с применением одночастотного ПО;
разработана и экспериментально апробирована методика определения ионосферных погрешностей ССН GPS;
в рамках представленной методики проведено экспериментальное исследование влияния нерегулярных вариаций ионосферных параметров на точность позиционирования ССН, изучены возможные воздействия ионосферных возмущений на работу ССН с целью повышения качества навигационного обеспечения ВС ГА;
проведено экспериментальное исследование качества разнесенного приема сигналов ССН двумя одночастотными приемниками, имитирующее их размещение на борту ВС.
Методы исследования. При решении перечисленных задач в работе были использованы теоретические и эмпирические методы исследования ионосферы и ОКП, прикладные методы функционального анализа, методы матричного исчисления, численные методы, методы математического моделирования, пакеты прикладных математических и навигационных программ, а также экспериментальные исследования с помощью навигационного оборудования стандартного и специализированного назначения.
Научная новизна работы. Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые разработана модель системы «ионосфера-плазмосфера», учитывающая процессы взаимодействия «волна-частица» в ОКП, с возможностью интегрирования в программное обеспечение одночастотного ПО. На основе модели определено влияние возмущенной по концентрации и волновой активности ионосферы на навигационное обеспечение ВС ГА в средних, высоких и субавроральных широтах. Предложена методика определения ионосферных погрешностей ССН GPS с применением одночастотного ПО, с помощью которой изучено влияние нерегулярных возмущений ионосферы на навигационное обеспечение ВС ГА. Проведено экспериментальное исследование качества приема сигналов ССН двумя одночастотными приемниками с выработкой рекомендаций по оптимальному расположению их антенн относительно друг друга на борту ВС.
В диссертации получены следующие основные научные результаты:
-
Определены последствия регулярных возмущений ПЭС на функционирование ССН как основного средства навигации ВС ГА с использованием расчетов суточных вариаций ПЭС на средних и высоких широтах в условиях спокойной и возмущенной ионосферы;
-
Показана возможность появления сбоев в навигационном обеспечении ВС ГА в высокоширотной ионосфере из-за наличия в ней области аномального рассеяния сигналов ССН;
-
Показано, что в авроральной ионосфере имеются регулярные источники НЧ излучения, существенно влияющие на навигационное обеспечение ВС ГА вследствие потери работоспособности РНС НЧ диапазона, входящих в состав региональной дифференциальной подсистемы Eurofix;
-
На основе разработанной методики определения ионосферных погрешностей ССН экспериментально подтверждено существование ранее теоретически предсказанных нерегулярных возмущений ПЭС, а также обнаружено новое свойство ионосферы – наличие в ней крупномасштабных периодических возмущений ПЭС с частотами 3 5 миллигерц;
-
Определены последствия нерегулярных возмущений ионосферы на функционирование ССН как основного средства навигации ВС ГА;
-
На основе экспериментальных исследований определено оптимальное расстояние между антеннами размещенных на борту ВС одночастотных приёмников, позволяющее повысить эффективность приема сигналов ССН.
На защиту выносятся:
-
Результаты численного моделирования воздействия на навигационное обеспечение ВС ГА возмущенной по ПЭС ионосферы на средних и высоких широтах;
-
Результаты теоретического исследования воздействия на навигационное обеспечение ВС ГА возмущенной по волновой активности высокоширотной и субавроральной ионосферы;
-
Методика определения ионосферных погрешностей ССН GPS, основанная на измерении разности фазовых путей навигационных сигналов от двух НС и её физико-математическое обеспечение;
-
Результаты экспериментальных исследований воздействия на навигационное обеспечение ВС ГА нерегулярных вариаций ПЭС, полученных на основе методики определения ионосферных погрешностей ССН GPS;
-
Методика эксперимента и результаты экспериментальных исследований качества приема сигналов НС двумя одночастотными приемниками GPS с имитацией размещения их антенн на борту ВС.
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:
влиять на точность и надежность навигационного обеспечения ВС ГА на трассах, проходящих в высоких и субавроральных широтах, путем прогноза вариаций ионосферных погрешностей, а также сбоев в работе ССН, в зависимости от уровня возмущенности ионосферы;
обеспечить требуемый уровень безопасности полетов путем повышения точности определения местоположения и скорости ВС при использовании одночастотных приемников ССН в качестве бортового оборудования;
определять ионосферные погрешности ССН с помощью одночастотных приемников, с небольшими финансовыми затратами, высоким временным и пространственным разрешением, а также возможностью мобильно и оперативно изменять геометрию измерительных пунктов при многопозиционных синхронных измерениях;
определить оптимальное с точки зрения качества приема навигационных сигналов расстояние между антеннами устанавливаемых на ВС ГА одночастотных приёмников GPS.
Внедрение результатов. Основные результаты диссертационной работы внедрены в МГТУ ГА, ГосНИИ ГА, ОАО Московское КБ “Компас”, ИГУ, ИрГУПС, что подтверждено соответствующими актами.
Достоверность результатов основана на использовании общепринятых достижений физики околоземного космического пространства, применении апробированных программных продуктов, корректности методов математического моделирования на ПЭВМ, согласованности экспериментальных результатов, полученных в ходе исследований на серийно выпускаемых навигационных приемниках, с результатами других авторов.
Апробация результатов. Результаты выполненных исследований докладывались на: V Международном симпозиуме КАПГ, г. Мурманск, 1989г., Х Международном семинаре по моделированию ионосферы, г. Казань, 1990г., XIII Научной конференции ученых ИрГТУ, г. Иркутск, 2004г., Секции «Физика околоземного пространства» Байкальской школы фундаментальной физики, г. Иркутск, 2006-2007гг., 18-й Международной научно-технической конференции КрымиКо, г. Севастополь, 2008г., Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», посвященная 85-летию Гражданской авиации России, г. Москва, МГТУ ГА, 2008г., ежегодных научно-технических семинарах кафедры Авиационного радиоэлектронного оборудования Иркутского филиала МГТУ ГА в 2003 – 2008 гг., ежегодных научных семинарах кафедры радиофизики физического факультета ИГУ в 2005 – 2008 гг., научно-техническом семинаре кафедры УВД факультета авиационных систем и комплексов МГТУ ГА в 2008г.
Публикация результатов. Основные результаты диссертации представлены в 27 научно-технических статьях, опубликованных в российских и зарубежных научных журналах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и 4 приложений. Основная часть диссертации содержит 291 страниц текста, 82 рисунка, 15 таблиц, 4 листинга программ и библиографию из 247 наименований. Общий объем работы 324 страницы.
Анализ современного состояния ССН NAVSTAR GPS и ГЛОНАСС
Структурно система GPS состоит из орбитального группировки (ОГ), комплекса управления и пользовательского оборудования (ПО) (рис. 1.1). Аналогично построены российская система ГЛОНАСС и будущая европейская спутниковая радионавигационная система GALILEO.
Орбитальная группировка. Включает 24 НС Block ПА или Block IIR (запускаются с 2000г.), массой 1055 кг и сроком службы до 7.5 лет. ОГ обеспечивает видимость из любой точки земной поверхности (за исключением приполярных областей) в любое время необходимого количества спутников, обеспечивающего определение трех координат потребителя. Спутники находятся на почти круговых орбитах, параметры которых приведены в Таблице 1.3 [56,57].
НС оснащены передатчиками мощностью-50 Вт и 4-мя рубидиевыми (или цезиевыми) атомными часами. Каждому НС присвоен- идентификационный номер PRN (Pseudo Random Number), отображаемый на экране ПО. Передатчики излучают ФМ сигналы в диапазонах L1 (fx = 1575.42МГц) и L2 (f2 = 1227.6МГц); кратных основной тактовой частоте спутниковых часов 7т = 10.23 МГц. Сигнал L1 состоит из двух сигналов одинаковой мощности, сдвинутых по фазе на п/2 для удобства их разделения. Модуляция сигналов производится псевдослучайным кодом, состоящим из дальномерного Р-кода или С/А-кода и кода навигационной информации. Сигнал L2 модулируется дальномерным Р-кодом и кодом навигационной информации. Частота fx=1575.42 МГц диапазона L1 является основной. Сигналы основной частоты принимаются одночас-тотными приемниками. Дополнительная частота /2=1227.6 МГц диапазона-L2 доступна только двухчастотным приемникам.
Навигационная- информация состоит из служебных сообщений, включающих в себя: 1. Эфемериды НС и его идентификационный номер PRN; 2. Состояние альманаха (совокупность эфемерид созвездия НС); 3. Системное время GPS и коэффициенты его пересчета в UTC; 4. Частотно-временные поправки; 5. Поправки на ионосферную рефракцию для С/А-кода; 6. Ключевое слово к Р-коду; 7. Специальные сообщения (об исправности аппаратуры и т.д.). Информация по сообщениям №1, №4 передается через 30 сек., ос тальных - через 12.5 мин.
Наблюдательные данные (observation data) передаются всеми спутниками с герцовой частотой квазисинхронно. Последнее означает, что сигналы синхронизированы в шкале времени аппаратуры спутника, однако имеется некоторая несинхронность сигналов всей ОГ вследствие небольшой (порядка 10 13 с"1) нестабильности хода часов спутника относительно системного времени GPS, которое периодически синхронизируется с UTC.
До 1.05.2000 г. существовал режим селективного доступа (SA) к частотам GPS, при котором гражданские потребители- не могли обеспечить получение своих координат с точностью лучше примерно 100 метрові В настоящее время режим SA отключен, но может быть введен в действие в экстремальных ситуациях по личному приказу президента США [12].
Такие измерения производятся, в частности, путем лазерной дальнометрии и имеют высокую точность. Данные по лазерному определению истинных координат спутников, выложены в сети Internet на сайте международной службы лазерных дальномерных измерений (International Laser Ranging Service - ILRS) [58]. Таким образом, эфемериды всех спутников орбитальной группировки в текущий момент времени могут считаться известными с ошибкой, не превышающей нескольких сантиметров. Следует уточнить, что речь идет о координатах фазовых центров передающих антенн спутников. Пользовательское оборудование. Включает в себя [59]: - базовые станции системы (двухчастотные приемники); - двухчастотные приемники военного назначения; - геодезические одночастотные приемники повышенной точности; - бытовые одночастотные навигационные приемники. Основными функциями приемников GPS являются: - прием сигналов НС; - аппаратная и программная обработка сигналов НС; - выдача навигационной информации в удобном потребителю виде. Современные приемники могут вести одновременный прием сигналов от нескольких (как правило, не более 12) спутников. Вся обработка данных выполняется в шкале времени данного приемника. Поскольку в типовых навигационных приемниках используется относительно недорогое оборудование, стабильность внутренних часов приемников на несколько порядков хуже, чем у часов спутника. Как будет ясно из дальнейшего изложения, это обстоятельство принципиально важно.
ГЛОНАСС. ССН ГЛОНАСС предназначена для глобальной оперативной навигации приземных подвижных объектов: наземных (сухопутных, морских, воздушных) и низкоорбитальных космических. Наряду с основной функцией ГЛОНАСС позволяет осуществлять: - локальную высокоточную навигацию приземных подвижных объектов в дифференциальном режиме; - высокоточную геодезическую «привязку» наземных объектов; - синхронизацию стандартов частоты и времени на наземных объектах; - автономную навигацию низкоорбитальных космических объектов; - ориентацию объектов с помощью разнесенных антенн.
Система находится в подчинении Министерства обороны РФ, вопросы гражданского применения курируются Министерством транспорта РФ. ГЛОНАСС предоставляет два вида услуг: стандартной точности (СТ) для гражданских и высокой точности (ВТ) для военных потребителей: Искусственного снижения точности не предусмотрено.
Структурно ГЛОНАСС состоит из космической части, наземного комплекса управления (НКУ) и пользовательского оборудования: Космическая часть. Включает в себя ОГ из 24 НСГЛОНАСС-М массой 1400 кг и сроком службы до 7 лет, или.ГЛОНАСС-К (запускаются с 2005 г.)-массой 750: кг: и сроком службы до 12 лет. Спутники вращаются по У орбитам с параметрами, представленными в.Таблице 1.3:
В состав каждого НС входят: - бортовой навигационный передатчик; - бортовойхронизатор:(цезиевые атомные часы);: - бортовотуправляющийкомплекс; - системы ориентации- и стабилизации , коррекции, электропитания; терморегулирования;
Учитывая; что диапазоны L1 и L2 предназначены для широкого круга: потребителей (спутниковая радиосвязь, воздушная навигация, радиоастрономия), для уменьшения , помех с их стороны число несущих частот к=Г21 Это возможно; так как в OF ГЛОНАСС имеются взаимно антиподные НС, которые никогда не могут появиться на горизонте одновременно. Для низкоорбитальных объектов, которые могут «видеть» одновременно более 12 НС, поиск несущей частоты осуществляется вблизи прогнозируемой частоты с учетом её доплеровского сдвига, величина которого ( 40 кГц) позволяет произвести эффективную доплеровскую селекцию «видимых» НС.
Сигнал диапазона L1 состоит из двух сигналов одинаковой мощности, разделенных по фазе на ±90: узкополосного сигнала, модулируемого кодом НСП1 (аналог С/А кода в GPS), и широкополосного сигнал, модулируемого кодом ПСП2 (аналог Р-кода в GPS). Обе кодовые последовательности состоят из дальномерного кода и кода цифровой информации (НИ) навигационного сообщения. Сигнал диапазона L2 имеет аналогичную структуру, но его широкополосная часть модулируется ПСП2 без НИ. Узкополосные сигналы открыты и предназначены для гражданских пользователей. Широкополосные сигналы имеют защиту и используются санкционированными пользователями.
Наблюдательные данные в системе ГЛОНАСС передаются1 всеми спутниками квазисинхронно с герцовой частотой. Отсутствие полной синхронизации сигналов обусловлено теми же причинами, что и в ССН GPS.
Ионосфера как основной источник погрешностей ССН
На высотах выше 50 км расположена ионосфера - область атмосферы, заполненная частично ионизированной плазмой. Устоявшейся верхней границы ионосферы не существует, так как она плавно переходит в плазмо-сферу, которая располагается на высотах от 700ч-1000 км до плазмопаузы (см. рис.2.8). Ионосфера представляет собой область разреженной слабоио-низированной плазмы, находящейся в магнитном поле Земли, которая благодаря своей высокой электропроводности обладает рядом специфических свойств, определяющих характер распространения в ней радиоволн различных частотных диапазонов.
Структура ионосферы. Основная масса информации об ионосфере получена с помощью мировой сети ионосферных станций, способных наблюдать отражение от соответствующих высот ионосферы радиосигналов с различной длиной волны. С их помощью установлено, что концентрация ионов и электронов в ионосфере распределена по высоте неравномерно: имеются следующие области, или слои, где она достигает максимума (рис. 2.9): 1. D - слой располагается на высотах от нижней границы ионосферы до высоты 90 км; 2. Е - слой располагается на высотах 90 -150 км; 3. F - слой располагается ночью на высотах 300-4-400 км, днём (преимущественно летом) раздваивается на слои Fi и F2 с максимумами на высотах 160-ь200 км и 220н-320 км. Ионосферные слои не имеют резко выраженных границ, их максимумы регулярно изменяются в течение дня, сезона и 11-летнего солнечного цикла [85]. Верхний слой F соответствует главному максимуму электронной концентрации в ионосфере. Существование слоев в ионосфере обусловлено высотными вариациями условий её образования [86, 87].
Распределение основных ионосферных параметров. Ионосферное зондирование, а также многочисленные ракетные и спутниковые измерения позволили исследовать регулярные вариации основных физических характеристик ионосферы - температуры, концентрации ионов и электронов на,всех высотах, определить источники ионизации - интенсивность и спектр коротковолнового ионизующего излучения Солнца и разнообразных корпускулярных потоков [88,89]. С помощью спутников, зондирующих ионосферу сверху, исследована её верхняя часть, расположенная выше максимума слоя F и поэтому недоступная для изучения наземными ионосферными станциями [90]. Эффективным способом получения информации о распределении ионосферных параметров выше максимума слоя F является метод некогерентного рассеяния (НРР), основанный на принципе радиолокации: в ионо 69 сферу посылают короткий мощный импульс радиоизлучения, а затем при- нимают слабый рассеянный сигнал с временной задержкой, зависящей от расстояния до точки рассеяния. Метод НРР позволяет измерять значения пе, Те, Т.,- а также ионный состав, регулярные и нерегулярные движения и др. параметры ионосферы до высот 1000 км и выше [91].
Установлено, что температура Те и электронная концентрация пе резко растут до высот области F (см. таблицу 2.2 и рис. 2.10), затем рост Те замедляется, а пе выше области F уменьшается с высотой по барометрическому закону до высоты локализации плазмопаузы. За пределами плазмосферы пе не превышает значений 1ч-10 см [92,93].
Механизмы образования ионосферы. Наблюдаемые в ионосфере концентрации ионов и электронов есть результат баланса между скоростью их образования в процессе ионизации и скоростью их уничтожения за счёт процессов рекомбинации. Источники ионизации и процессы рекомбинации разные в различных областях ионосферы [85].
В периоды спокойного Солнца,в дневные часы типичными источниками ионизации ионосферы являются: коротковолновое излучение Солнца с длиной волны X 1038 А; корпускулярные потоки; галактические и солнеч 70 ные космические лучи. В соответствии с проникающей способностью каждого из этих источников, они оказывают наибольшее ионизирующее действие на атмосферу лишь в определённой области высот: - солнечное излучение с X = 85-ИЭ11А — в области высот 120-Т-200 км; - солнечное излучение с А, = 911-И038 А — в области высот 95-Я 15 км; - рентгеновское излучение с X 85 А — в области высот 85н-100 км; - космические лучи — в области высот ниже 60-4-70 км днём и ниже 80-ИЮ км ночью; - корпускулярные потоки (например, электроны с энергией 30-И0 кэВ) — на высотах около 80 км.
Во время солнечных вспышек происходит дополнительная ионизация нижних слоев ионосферы (50- -90 км) за счет всплеска рентгеновского излучения и увеличения потока солнечных космических лучей. Особенно сильно этот эффект проявляется в областях вблизи магнитного полюса (полярных шапках) и в зоне полярных сияний. Во время магнитных бурь эти эффекты усиливаются, а зона их действия расширяется к более низким широтам.
Скорость исчезновения ионосферных ионов характеризуется эффективным коэффициентом рекомбинации а , который определяет величину и изменение во времени электронной концентрации. Без учета процессов переноса в ионосферной плазме можно грубо оценить её величину: ne=Vq/a7, где q - источник ионизации, т. е. скорость образования ионов в 1 см3 в 1 сек. Состав ионосферы. Большая часть информации по ионному составу ионосферы получена при помощи масс-спектрометров, устанавливаемых на спутниках и ракетах. Установлено, что под воздействием ионизующих излучений в ионосфере происходят следующие физико-химические процессы: - ионизация, отвечающая за процесс образования ионов; - ионно-молекулярные реакции, отвечающие за процессы превращения ионов друг в друга; - рекомбинация, отвечающая за процесс уничтожения ионов. Скорости каждого из этих процессов различны на разных высотах, что приводит к высотным вариациям ионного состава: Днём на высотах 85 -200 км преобладают положительные молекулярные ионы NO+ и 02+, выше 200 км в области F - атомарные ионы 0+, а выше 600- 1000 км — протоны Н+. В нижней части области D (ниже 70- 80 км) существенно образование комплексных ионов-гидратов типа (Н20)ПН , а также отрицательных ионов, из которых наиболее стабильны ионы N0 и NOj [85,87,94].
Характеристики ионосферных слоев. Главные особенности D — слоя: - наиболее низкие электронной концентрации Пе 10 см (рис. 2.9); - наличие отрицательных ионов, которые образуются в результате тройных столкновений электронов с нейтральными молекулами 02. Вследствие высокой концентрации нейтралов отрицательных ионов на высотах ниже 70? 80 км становится больше, чем электронов. При этом скорость уничтожения отрицательных ионов при взаимной нейтрализации с положительными ионами высока, что приводит к большому значению эффективного коэффициента рекомбинации [87]; - исчезновение слоя в ночные часы; - резкое повышение ионизации в средних широтах во время солнечных вспышек за счет возрастания интенсивности рентгеновского излучения; - резкое повышение ионизации в полярной ионосфере за счет возрастания интенсивности солнечных корпускулярных потоков (в основном протонов с энергией в несколько МэВ), способных проникать в атмосферу в районе геомагнитных полюсов (каспов), где магнитные силовые линии разомкнуты. Длительность данных явлений достигает нескольких суток. Главные особенности слоев D и F (область высот 100- 200 км): - наиболее регулярные изменения электронной концентрации и ионного состава в зависимости от времени суток и уровня солнечной активности, хорошо объясняемые теорией простого слоя Чепмена; - поглощение основной части ионизующего излучения Солнца; - значительное уменьшение электронной концентрации ночью в области высот 125-J-160 км при сохранении высоких дневных значений Пе на высотах 100-4-120 км (область Е); - существование кратковременных узких слоев повышенной ионизации (спорадические слои Es), состоящих в основном из ионов металлов Мд , Fe+, Са+ и др. - превышение концентрации ионов (в основном 0+) над концентрацией нейтралов выше уровня 170 -180 км.
Навигационное обеспечение ВС в среднеширотной ионосфере
На основе расчетов, проведенных по модели системы «ионосфера-плазмосфера», описанной в п. 1.1 настоящей главы, получены пространственно-временные распределения основных макроскопических параметров плазмы: концентрации, скорости, температуры и тепловых потоков для различных внешних условий. Рассчитанные значения концентраций и температур плазмы находятся в соответствии с современными представлениями об ионосфере и плазмосфере Земли и качественно согласуются с имеющимися экспериментальными данными.
В рамках представленной модели исследовались возмущения высокоширотной (ф 65) ионосферы, вызванные воздействием на вышележащую плазмосферу магнитосферного кольцевого тока и системы продольных электрических токов. В данном пункте рассмотрено влияние кольцевого тока на тепловой режим и концентрацию высокоширотной ионосферы.
Учет влияния кольцевого тока на возмущения ионосферы целесообразно рассмотреть для случаев спокойного и возмущенного тока. Случай спокойного кольцевого тока реализуется в периоды длительного отсутствия геомагнитных возмущений и характеризуется: спокойной плазмосферой с заполненными силовыми трубками геомагнитного поля; узкой зоной перекрытия кольцевого тока и плазмосферы; небольшими значениями амплитуд ионно-циклотронных волн; отсутствием долготной асимметрии кольцевого тока. Интегрирование по времени в этом случае велось до получения уста новившегося периодического, решения1 с периодом 24 часа. Полученные в этом приближении результаты позволяют выделить в чистом виде влияние стационарного источника энергии неплазмосферного происхождения на систему «ионосфера-плазмосфера».
Случай возмущенного кольцевого тока имеет место в периоды геомагнитных возмущений и характеризуется: возмущенной плазмосферой с незаполненными силовыми трубками геомагнитного поля; хорошо выраженной асимметрией кольцевого тока по долготе; широкой зоной перекрытия кольцевого тока и плазмосферы; временем жизни 10 часов; большими значениями амплитуд ионно-циклотронных волн.
Интегрирование по времени в этом случае проводилось по следующей схеме. Сначала рассчитывались параметры спокойной плазмосферы при отсутствии слагаемых, описывающих взаимодействие «волна-частица» (слагаемые с индексом W в (3.39)). Расчеты велись до получения установившегося периодического решения с периодом 24 часа. Затем взаимодействие «волна-частица» «включалось» П-образным импульсом в вечернее время суток (18.00 LT -f- 24.00 LT, LT —локальное время); что соответствовало резкому нарастанию интенсивности кольцевого тока во время главной фазы геомагнитной бури. Полученное таким образом нестационарное решение представляет собой реакцию системы «ионосфера-плазмосфера» на воздействие кольцевым током в период геомагнитного возмущения.
Представление параметров «системы ионосфера-плазмосфера». Пространственно-временные распределения основных параметров плазмы — концентрации, направленной скорости, температуры и значений тепловых потоков представлены в области перекрытия кольцевого тока и плазмосферы для геомагнитной силовой линии с параметром 1_=5, что соответствует широте ф=66, при условиях равноденствия и умеренной солнечной активности F,07 =150. Высотные профили рассчитываемых параметров, плазмы даются от нижней границы силовой линии до экваториаль-ной плоскости. На всех приведенных графиках сплошная линия представляет собой невозмущенные значения плазменных параметров (в отсутствие слагаемых с индексом W в (3.39)), а пунктирная линия относится к возмущенным плазменным параметрам, полученным с учетом взаимодействия плазмосферы и кольцевого тока.
Спокойный кольцевой ток. Результаты расчетов показали, что основной вклад от взаимодействия . «волна-частица» приходится на уравнения переноса энергии (3.13, 3.14). Для установившегося решения, анализируемого в данном разделе, величина температуры плазмы определяется балансом между мощностью волнового источника и скоростью стока энергии вниз за счет теплового потока для электронов и конвективного слагаемого для ионов. Поэтому, несмотря на то, что мощность электронного источника, больше ионного, температура электронов в экваториальной области меньше температуры ионов. В ионосфере ситуация меняется, так как дляэлектронной компоненты температура практически неизменна из-за большого потока тепла, направленного вниз, тогда как температура ионной компоненты значительно уменьшается по сравнению с экваториальным значением, вследствие затрудненного вы 138 носа энергии из области нагрева за счет конвективного слагаемого в (3.13).
Высотные распределения температур плазмы для геомагнитной силовой трубки, расположенной на широте ф=66 (параметр трубки L=5) в различные моменты времени показаны на рис.3.1, а суточный ход температуры электронов для 1_=5 (ф=66) в экваториальной плоскости и на высоте h=1000 км представлен на рис.3.2. Показаны расчеты, соответствующие минимальной мощности источника [132]. Максимальная температура на экваторе составляет для ионов 13000 К, для электронов 8500 К. Превышение ионной температуры над электронной, как уже отмечалось выше, происходит из-за затрудненного выноса тепла для ионной компоненты. Хорошо видно, что влияние волнового источника на электроны прослеживается до меньших высот, чем для ионов (соответственно до 200 км для электронов и до 600 км для ионов), что также объяснимо различным характером передачи тепла вдоль силовой линии для электронной и ионной компонент плазмы.
На высотах внешней ионосферы (h 1000 км) температура электронов достигает величины 5000 К, что согласуется с экспериментальными данными [170, 171]. Профиль ионной температуры характеризуется большими градиентами Тп- на высотах 600V700 км, что связано с резонансным про- цессом перезарядки ионов Н+ на нейтральном водороде, в результате которого температура ионов падает до величины температуры нейтральной атмосферы. По этой причине влияние волнового источника на величину ионной температуры практически не ощущается на высотах 600 км. Величина электронной температуры достаточно плавно спадает с уменьшением высоты, так как для электронов отсутствуют какие-либо резонансные процессы в ионосфере и градиент температуры определяется суммарной частотой столкновений электронов с заряженными и нейтральными частицами ионосферы (частота столкновений электрона с ионно-циклотронными волнами отлична от нуля в достаточно узкой экваториальной области, где выполняются условия резонанса (1.81)-(1.84)).
Навигационные эффекты неустойчивости потока вторичных электронов над авроральной ионосферой в области низких частот
В пункте 4.1 показано, что плазма с потоками вторичных электронов неустойчива на высотах внешней ионосферы (300-ьЮОО км) в области втекающего продольного тока. В данном пункте рассматривается механизм генерации плазменных волн неустойчивыми потоками вторичных электро-нов, образующихся в результате ударной ионизации атмосферы высыпающими электронами с энергией в несколько кэВ. Известно, что при достаточно высоком уровне интенсивности плазменных волн вблизи нижнегибридного резонанса может происходить их линейная конверсия на горизонтальных неоднородностях плазмы в электромагнитные волны НЧ диапазона типа сосера [184]. Свое название этот тип НЧ излучения получил из-за специфичного спектра: сначала сигнал регистрируется на высокой частоте, затем его частота снижается с последующим симметричным повышением.
Здесь: сове- циклотронная частота электронов, соре — плазменная частота электронов фоновой плазмы, п — гармоника частоты, к( = ксовф — параллельная относительно геомагнитного поля составляющая волнового вектора, ф — угол между направлениями геомагнитного поля и волнового вектора, с — величина скорости света.
Линейная конверсия плазменных волн в электромагнитные происходит с сохранением их частоты, поэтому, учитывая частотный диапазон НЧ излучения, необходимо рассматривать возбуждение плазменных волн именно на частоте нижнегибридного резонанса.
Рассмотрим спектральные характеристики плазменных волн, возбуждаемых квазипучками вторичных электронов. Поскольку ионосферная плазма высоких широт неоднородна, то неустойчивость волн имеет место, если значение коэффициента усиления пакета волн при его выносе из области неустойчивости [194] r=JIZbtd/« A/RES (4.7) превышает половину значения кулоновского логарифма (1_«20). Здесь Vg =da)/dk — групповая скорость волн, / - групповой путь пакета волн, находящихся в резонансе с пучком.
Кроме того, на высотах внешней авроральной ионосферы (ЗОО-І-1000 км) для пакета возбуждаемых волн вблизи нижнегибридного резонанса возможно существование волноводного канала [195], наличие которого приводит к тому, что пучковая неустойчивость может стать абсолютной за счет многократного возвращения пакета волн в область усиления (резонанс с пучком). Образование волноводного канала (то есть отражающих стенок) для волн со2 с ф фнг обусловлено тем, что,на высотах верхнейионосферы изменяется эффективная масса иона (ион 0+ заменяется на ион Н+), а на высотах нижней ионосферы быстро изменяется концентрация электронов. На рисунках 4.4 и 4.5 наличие волноводного канала отражено пиком в распределении Г(ф) на углах фнг ф —. Величина такого пика зависит от характеристик волноводного канала, поэтому на рисунках он изображен условно, жирной линией. Указанные особенности углового распределения коэффициента усиления объясняют факты регулярной регистрации интенсивных плазменных волн вблизи нижнегибридного резонанса на космических аппаратах [196].
Стабилизация неустойчивости на нижнегибридном резонансе происходит за счет квазилинейной релаксации пучка вторичных электронов [196]. Нелинейные эффекты перекачки энергии волн по волновым числам не имеют серьезного влияния. Так, например, темп индуцированного рассеяния на тепловых ионах и электронах плазмы для этих волн не превыша 188 ет значения у, 10 с , что значительно меньше инкремента пучковой неустойчивости.
Отметим, что в области вытекающего тока, где неустойчивость плазмы вызвана пучками высыпающихся электронов с энергиями в несколько кэВ, и стабилизация неустойчивости в этом случае может быть существенно нелинейной [197].
Таким образом, в области возвратного (втекающего) тока, где внешнее продольное электрическое поле направлено к Земле, на высотах внешней ионосферы 500-ьЮОО км формируется направленный вверх поток вторичных электронов квазипучкового типа. Этот поток неустойчив к раскачке плазменных волн вблизи нижнегибридного резонанса. Усиление именно этих волн обусловлено подавлением конкурирующих плазменных волн продольной неоднородностью ионосферной плазмы и геомагнитного поля и приводит к генерации НЧ излучения типа сосера.
Полученные оценки интенсивности плазменных волн на высотах внешней ионосферы на основе теории квазилинейной релаксации пучков вторичных электронов показывают, что НЧ излучение является мощной аддитивной помехой для РНС дальнего действия и других радиотехнических систем, работающих в НЧ диапазоне [39], достаточной для того, чтобы влиять на их работоспособность. Кроме, того, предложенный механизм генерации НЧ волн может также объяснить регистрируемое радиоизлучение типа сосера в килогерцовом диапазоне.
