Способ обнаружения, измерения фазовой скорости и направления прихода ионосферного возмущения

 

Использование изобретения: в системах дистанционного контроля ядерных и иных взрывов, предупреждения о запусках ракет, наблюдения за сейсмической активностью. Сущность изобретения: временные ряды полного электронного содержания, полученные с помощью пространственной решетки двухчастотных приемников сигналов спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS с размером апертуры, соответствующей дальней зоне источника возмущений, фильтруют с целью выделения вариаций полного электронного содержания, соответствующих отклику ионосферы на воздействие источника, полученные после фильтрации сигналы сдвигают по времени на величину Δτ_i и когерентно суммируют, добиваясь максимальной амплитуды суммарного сигнала, решение об обнаружении возмущения принимают при превышении суммарным сигналом порогового уровня, а направление прихода и величину фазовой скорости волны возмущения находят из решения системы уравнений, описывающих в избранной системе координат семейство плоских волновых фронтов, отстоящих друг от друга на расстояние, определяемое относительными временными сдвигами Δτ_i сигналов отдельных приемников. Достигаемым техническим результатом является повышение чувствительности обнаружения и точности определения направления прихода ионосферного возмущения. 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах дистанционного контроля ядерных и иных взрывов, предупреждения о запусках ракет, наблюдения за сейсмической активностью.

Известны способы наблюдения ионосферных возмущений, порождаемых антропогенными и естественными источниками, основанные на регистрации задержек сигналов спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS. С помощью нескольких приемников ГЛОНАСС/GPS осуществляют двухдиапазонные измерения задержек навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS, по измеренным задержкам определяют значение полного электронного содержания на трассе "приемник - навигационный искусственный спутник Земли". Производят фильтрацию рядов полного электронного содержания для отдельных приемников в выбранном диапазоне периодов колебаний и при наличии сигнала, превышающего заданный уровень, регистрируют возмущение, вызванное мощными наземными взрывами [1], запусками космического аппарата [2]. Данные способы отличаются низкой чувствительностью.

Наиболее близким к решению поставленной задачи является способ определения направления прихода и скорости перемещения ионосферных возмущений различной природы, основанный на анализе данных о полном электронном содержании в ионосфере Земли [3]. Сущность его заключается в том, что с помощью решетки, состоящей из трех пространственно разнесенных двухчастотных приемников сигналов спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS получают временные ряды флуктуации полного электронного содержания в ионосфере Земли для линий "приемник - навигационный искусственный спутник Земли". В результате фильтрации рядов полного электронного содержания для отдельных приемников выделяют возмущения, содержащие отклик ионосферы на воздействие источника. При этом параметры движения фронта волны возмущений определяются по значениям взаимных задержек флуктуации полного электронного содержания, зарегистрированных в трех точках. В силу того что при указанном способе решение об обнаружении возмущения принимается по анализу сигнала каждого приемника отдельно, без учета информации двух других приемников, а для определения направления прихода волны возмущения используется минимально необходимое число приемников n= 3, способ-прототип характеризуется низкой чувствительностью обнаружения и недостаточной точностью измерения угла прихода сигнала, особенно при повышенном уровне ионосферной возмущенности.

Целью изобретения является повышение чувствительности обнаружения и точности определения направления прихода ионосферного возмущения. В сравнении со способом-прототипом это достигается за счет того, что для реализации предложенного способа используется решетка с большим числом n (n >> 3) пространственно разнесенных наземных двухчастотных приемников сигналов спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS. Апертура решетки L выбирается таким образом, чтобы выполнялось условие дальней зоны где L - максимальное расстояние между приемниками; R - предполагаемое расстояние до источника возмущения; λ - длина волны возмущения [3, 4, 5].

Сигналы, полученные в результате фильтрации рядов полного электронного содержания для отдельных приемников решетки, задерживают на время Δτ_i (i - номер приемника) относительно сигнала одного из приемников, выбранного в качестве опорного сигнала, и когерентно суммируют между собой. Решение об обнаружении возмущения принимается при превышении суммарным сигналом заданного порога. Направление прихода и величину фазовой скорости волны возмущения находят из решения системы уравнений, описывающих в избранной системе координат семейство плоских волновых фронтов, отстоящих друг от друга на расстояние, определяемое относительными временными сдвигами Δτ_i сигналов отдельных приемников, при которых обеспечивается максимальная амплитуда суммарного сигнала.

На фиг. 1 в декартовой системе координат изображены точки расположения приемников, проекции подионосферных точек лучей "приемник - навигационный искусственный спутник Земли", семейство фазовых фронтов возмущения полного электронного содержания. На фиг.2 изображены вариации полного электронного содержания, полученные для отдельных приемников, соответствующие отклику ионосферы на воздействие источника возмущений, и суммарный сигнал всех приемников.

Исследованиями ряда авторов установлено, что откликом ионосферы на воздействие мощных антропогенных (ядерные и химические взрывы, запуски космических аппаратов) и естественных (землетрясения, извержения вулканов) источников являются распространяющиеся в направлении от источника ударно-акустические волны. Распространение ударно-акустической волны приводит к возмущениям полного электронного содержания в ионосфере. Возмущение полного электронного содержания имеет длину волны λ ≈ 100-200 км, период Т ≈ 200-300 с, амплитуду 10¹⁵-10¹⁶ эл/м² [3, 4, 5].

Каждый из приемников ГЛОНАСС/GPS осуществляет регистрацию фазовых задержек L₁ и L₂ навигационных сигналов с несущей частотой f₁ = 1575,42 МГц, f₂= 1227,6 МГц на трассе "приемник - навигационный искусственный спутник Земли".

На основе измеренных значений задержек L₁ и L₂ находят величину полного электронного содержания для указанной трассы где z_m - зенитный угол луча "приемник - навигационный искусственный спутник Земли", отсчитываемый от вертикального направления; λ₁,λ₂ - длина волны навигационных сигналов с частотами f₁ и f₂ соответственно.

Флуктуации значений полного электронного содержания содержат как низкочастотные составляющие, обусловленные движением навигационного искусственного спутника Земли, широтно-долготным и суточным ходом полного электронного содержания, так и высокочастотные колебания ΔI(t), вызванные возмущением полного электронного содержания при распространении ударно-акустической волны от источника. Для выделения этих колебаний ряды полного электронного содержания с выхода каждого приемника подают на вход фильтра с полосой пропускания, соответствующей полосе частот ударно-акустической волны. Полученные отклики ΔI(t) относят к проекциям 2 (фиг.1) на горизонтальную плоскость точек в ионосфере, соответствующих пересечению луча "приемник - навигационный искусственный спутник Земли" с поверхностью на высоте максимума слоя F₂ ионосферы. Координаты (x_i; y_i) указанной точки находят, зная координаты приемников и навигационного искусственного спутника Земли, с помощью стандартных в системе GPS процедур.

Полученные с выходов фильтров сигналы ΔI_i(t) 3 (фиг.2) задерживают на время Δτ_i относительно сигнала опорного приемника ΔI₀(t) 4 (фиг.2) и затем суммируют. Значения Δτ_i подбирают так, чтобы обеспечить максимальную амплитуду суммарного сигнала ΔI_c(t) 5 (фиг.2). При превышении суммарным сигналом заданного порога принимается решение об обнаружении источника возмущения. Величина порога определяется выбранным критерием обнаружения. Если апертура решетки L и расстояние до источника возмущений R таковы, что выполняется условие дальней зоны, то фронт ударно-акустической волны в районе решетки приемников можно считать плоским. Значения Δτ_i определяют расстояния ρ_i, между фазовыми фронтами ударно-акустической волны, имеющими вид параллельных прямых, проходящих через точки (x_i; y_i), где ρ_i = Δτ_i•V; V - фазовая скорость волны возмущения.

Расстояния ρ_i определяются относительно фазового фронта, проходящего через точку с координатами (х₀; y₀), соответствующую опорному приемнику. Пусть декартова система координат задана таким образом, что ее начало совпадает с точкой (х₀; y₀), ось Оy системы направлена на север, а ось Ox - на восток (фиг. 1). Тогда уравнение фазового фронта, проходящего через точку (x₀; y₀), имеет вид Аx + Вy = 0, где к = -А/В - угловой коэффициент прямой; к = tgα;
α = 180°-β, где
β - азимут перемещения волнового вектора ионосферного возмущения, отсчитываемый от направления на север по часовой стрелке.

Расстояние ρ_i от точки (x_i; y_i) до прямой с параметрами А, В, проходящей через точку (х₀; у₀), определяется уравнением

где Δx_i = x_i-x₀; Δy_i = y_i-y₀.
В этом случае неизвестную фазовую скорость волны возмущения V и параметры А и В можно найти из системы уравнений


.................

Систему уравнений относительно трех неизвестных - А, В, V - решают численно, любым известным методом [6]. Азимут прихода ионосферного возмущения в заданной системе координат определяют из выражения

ЛИТЕРАТУРА
1. Calais E. , Minster B. J., Hofton M.A., Hedlin M.A.H. Ionospheric signature of surface mine blasts from Global Positioning System measurements.//Geophys. J. Int. 1998. V. 132. P. 191-202.

2. Calais E. , Minster J.B. GPS detection of ionospheric perturbations following a Space Shuttle ascent. //Geophys. Res. Lett. 1996. V.23. P. 1897-1900.

3. Афраймович Э. Л. , Косогоров Е.А., Плотников А.В. Детектирование с помощью GPS-решеток ударно-акустических волн, генерируемых при запуске ракет. Труды VI международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь". - Воронеж, 25 - 27 апреля 2000 г. Том 1, с. 462-474. Прототип.

4. Li Y.Q., Jacobson A.R., Carlos R.C., Massey R.S., Taranenko Y.N., Wu G. The blast wave of the Shuttle plume at ionospheric heights. // Geophys. Res. Lett. 1994. V.21. P.2737-2740.

5. Blanc E. , Jacobson A. R. Observation of ionospheric disturbances follwing a 5-kt chemical explosion. 2. Prolonged anomalies and stratifications in the lower thermosphere after shock passage. // Radio Science. 1989. V.24. P.739-746.

6. Бахвалов Н. С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. - М.: Наука, 1987.

Формула изобретения

Способ обнаружения, измерения фазовой скорости и направления прихода ионосферного возмущения, основанный на анализе данных о полном электронном содержании в ионосфере Земли, которые получают в результате обработки сигналов, принятых двухчастотными приемниками спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС/GPS, расположенными в узлах решетки с апертурой, удовлетворяющей условию дальней зоны, с последующим формированием временных рядов полного электронного содержания и их фильтрацией в диапазоне периодов колебаний, соответствующих отклику ионосферы на воздействие источника ионосферного возмущения, отличающийся тем, что используют решетку с числом n (n > 3) пространственно разнесенных приемников, а сигналы, полученные после фильтрации временных рядов полного электронного содержания, когерентно суммируют с временными сдвигами Δτ_i, которые обеспечивают максимальную амплитуду суммарного сигнала; решение об обнаружении ионосферного возмущения принимают при превышении суммарным сигналом порогового уровня, а направление прихода и фазовую скорость ионосферного возмущения определяют из решения системы уравнений, описывающих в избранной системе координат семейство плоских волновых фронтов, отстоящих друг от друга на расстояние, определяемое относительными временными сдвигами Δτ_i, сигналов отдельных приемников.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2