Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20. № 4. С. 308-324
Метод оценки характеристик мелкомасштабных ионосферных неоднородностей на основе результатов GPS-мониторинга
В.П. Пашинцев
1 , Д.В. Мишин
2 , М.В. Песков
1 , С.А. Коваль
3 1 Северо-Кавказский федеральный университет, Ставрополь, Россия
2 Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики, Самара, Россия
3 Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного, Санкт-Петербург, Россия
Одобрена к печати: 22.07.2023
DOI: 10.21046/2070-7401-2023-20-4-308-324
Разработан метод обработки результатов измерений полного электронного содержания ионосферы с использованием сигналов глобальных навигационных спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС. Он позволяет оценить среднеквадратическое отклонение мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания и средний (характерный) размер мелкомасштабных ионосферных неоднородностей. Предложенный метод базируется на модификации двухчастотного приёмника GPStation 6, позволяющей значительно увеличить частоту дискретизации измерений полного электронного содержания и снизить уровень инструментальных шумов, и на использовании дискретного цифрового фильтра Баттерворта для выделения мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания. В результате проведённого анализа процесса измерения полного электронного содержания неоднородной ионосферы с использованием сигналов систем GPS/ГЛОНАСС и модифицированного двухчастотного приёмника GPStation 6 обоснованы частоты среза используемого полосового фильтра: 1 и 10 Гц. При условии, что такой фильтр должен одновременно обладать максимально гладкой амплитудно-частотной характеристикой на частотах пропускания и не вносить большой групповой задержки в результаты измерений, обосновано использование фильтра Баттерворта 6-го порядка. Показано, что анализ автокорреляционной функции мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания позволяет оценить средний размер обуславливающих такие флуктуации мелкомасштабных ионосферных неоднородностей на высотах максимальной ионизации ионосферы.
Ключевые слова: полное электронное содержание, мелкомасштабные флуктуации, среднеквадратическое отклонение, средний размер, цифровой фильтр, автокорреляционная функция
Полный текстСписок литературы:
- Афраймович Э. Л., Перевалова Н. П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск: ГУ НЦ ВСНЦ СО РАМН, 2006. 480 с.
- Введение в цифровую фильтрацию / пер. с англ.; под ред. Р. Богнера, А. Константинидиса, Л. И. Филиппова. М.: Мир, 1976. 216 с.
- Демьянов В. В., Ясюкевич Ю. В. Космическая погода: факторы риска для глобальных навигационных спутниковых систем // Солнечно-земная физика. 2021. Т. 7. № 2. С. 30–52. DOI: 10.12737/szf-72202104.
- Дэвис К. Радиоволны в ионосфере / пер. с англ. И. В. Ковалевского, А. П. Кропоткина; под ред. А. А. Корчака. M.: Мир, 1973. 502 с.
- Кравцов Ю. А., Фейзулин З. И., Виноградов А. Г. Прохождение радиоволн через атмосферу Земли. М.: Радио и связь, 1983. 224 с.
- Маслов О. Н., Пашинцев В. П. Модели трансионосферных радиоканалов и помехоустойчивость систем космической связи. Приложение к журналу «Инфокоммуникационные технологии». Самара: ПГАТИ, 2006. Вып. 4. 357 с.
- Перевалова Н. П. Оценка характеристик наземной сети приемников GPS/ГЛОНАСС, предназначенной для мониторинга ионосферных возмущений естественного и техногенного происхождения // Солнечно-земная физика. 2011. № 19. С. 124–133.
- Рекомендация МСЭ-R P.531-14. Данные об ионосферном распространении радиоволн и методы прогнозирования, необходимые для проектирования спутниковых сетей и систем. 2019. 25 с. https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.531-14-201908-I!!PDF-R.pdf.
- Рыжкина Т. Е., Федорова Л. В. Исследование статических и спектральных трансатмосферных радиосигналов УКВ-СВЧ-диапазона // Журн. радиоэлектроники. 2001. № 2. 16 с. http://jre.cplire.ru/win/feb01/3/text.html.
- Рытов С. М., Кравцов Ю. Н., Татарский В. И. Введение в статистическую радиофизику. М.: Наука, 1978. 464 с.
- Черенкова Л. Е., Чернышов О. В. Распространение радиоволн. М.: Радио и связь, 1984. 272 с.
- Aarons J. Global Morphology of Ionospheric Scintillations // Proc. IEEE. 1982. No. 70(4), pp. 360–378. DOI: 10.1109/PROC.1982.12314.
- Carrano C., Groves K. The GPS Segment of the AFRL-SCINDA Global Network and the Challenges of Real-Time TEC Estimation in the Equatorial Ionosphere // Proc. ION NTM. 2006. P. 1036–1047.
- Crane R. K. Ionospheric scintillations // Proc. IEEE. 1977. No. 65(2), pp. 180–204. DOI: 10.1109/PROC.1977.10456.
- GPStation 6TM. GNSS Ionospheric Scintillation and TEC Monitor (GISTM) Receiver. User Manual. NovAtel Inc., 2012. 89 p. https://hexagondownloads.blob.core.windows.net/public/Novatel/assets/Documents/Manuals/om-20000132/om-20000132.pdf.
- OEM6® Family Firmware Reference Guide. NovAtel Inc., 2014. 737 p. https://hexagondownloads.blob.core.windows.net/public/Novatel/assets/Documents/Manuals/om-20000129/om-20000129.pdf.
- Pashintsev V. P., Linets G. I., Slyusarev G. V. et al. (2020a) GPS monitoring of small-scale fluctuations of total electron content of ionosphere // Intern. J. Advanced Research in Engineering and Technology. 2020. No. 11(5). P. 341–352. DОI: 10.34218/IJARET.11.5.2020.035.
- Pashintsev V. P., Peskov M. V., Kalmykov I. A. et al. (2020b) Method for forecasting of interference immunity of low frequency satellite communication systems // AD ALTA: J. Interdisciplinary Research. 2020. V. 10. No. 1. P. 367–375. DOI: 10.33543/1001.
- Shanmugam S., Jones J., MacAulay A., Van Dierendonck A. J. Evolution to Modernized GNSS Ionoshperic Scintillation and TEC Monitoring // Proc. IEEE/ION PLANS. 2012. P. 265–273. DOI: 10.1109/PLANS.2012.6236891.
- Yeh K. C., Liu C. H. Radio wave scintillations in the ionosphere // Proc. IEEE. 1982. No. 70(4). P. 324–360. DOI: 10.1109/PROC.1982.12313.