Способ определения абсолютной полной электронной концентрации ионосферы земли

Изобретение относится к способам измерения в геофизике и может быть использовано для исключения фазовой неоднозначности при измерении величины полной электронной концентрации ионосферы Земли (ПЭС). Достигаемый технический результат изобретения - снижение энергетических и точностных требований к аппаратуре определения абсолютной полной электронной концентрации ионосферы Земли без использования априорной информации о состоянии ионосферы средствами космического базирования. Способ включает передачу когерентного излучения с низкоорбитального искусственного спутника Земли (ИСЗ) и измерение фазовых задержек волнового фронта излучения после прохождения через ионосферу Земли, при этом одновременно передают с ИСЗ когерентное узкополосное излучение на трех диапазонах частот, с центральными частотами - 150, 400 и 2844 МГц, производят одновременное измерение двух взаимных фазовых задержек Δϕ₁₂ и Δϕ₁₃ сигналов 150-400 МГц и 150-2844 МГц и по разности данных задержек определяют ПЭС из соотношения

где n₁=3, n₂=8, ε=40.3, f₀=5,556 МГц, с - скорость света, а значения x₁₂ и x₁₃ определяются из целочисленного соотношения

при известных значениях n₁ и n₂.

 

Изобретение относится к способам измерения в геофизике и может быть применено для исследований в ионосфере и магнитосфере Земли.

Как известно, исследования ионосферной плазмы являются непростой задачей в силу относительной удаленности плазменного слоя от поверхности Земли, а также высокой степени пространственной и временной изменчивости процессов, протекающих в ионосфере. Однако точное знание мгновенного состояния ионосферы, а также способность прогнозирования изменчивости ее основных параметров представляются важной задачей не только для осуществления фундаментальных исследований, но и ряда прикладных задач, в первую очередь связанных с распространением радиоволн: спутниковая навигация, дальняя радиосвязь и загоризонтная локация и пр.

Одним из важнейших параметров, характеризующих состояние ионосферы Земли, является полная электронная концентрация ионосферы.

Из уровня техники известен способ определения полной электронной концентрации путем измерения угла фарадеевского вращения линейно поляризованных радиоволн (см., например, Kunitsyn V.E., Tereshchenko E.D. Ionospheric tomography // Springer, 2003, page 272).

Основным недостатком известного из уровня техники способа определения полной электронной концентрации является возможность определения исключительно относительной величины полной электронной концентрации, без учета величины, соответствующей целому числу поворота угла в плоскости поляризации в 2πn радиан.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу (прототипом) является способ определения абсолютной полной электронной концентрации ионосферы Земли, заключающийся в том, что передают когерентное излучение с низкоорбитального ИСЗ и измеряют фазовые задержки волнового фронта излучения после прохождения через ионосферу Земли (см. авторское свидетельство СССР на изобретение SU 1840572, опубл. 20.08.2007).

В известном способе из двух групп когерентных широкополосных сигналов выделяют четыре сигнала, с попарно равно разнесенными частотами, измеряя разность фаз, по разности фаз получают величину полной электронной концентрации ионосферы при условии начальной когерентности излучаемых сигналов и небольшого частотного отклонения выделенных групп сигналов от центральной частоты.

Основными недостатками известного способа являются техническая сложность и энергоемкость его реализации ввиду высоких энергетических и массово-габаритных требований для излучения сигнала требуемой мощности и обеспечения необходимой точности определения разности фаз для приборов, которые должны быть размещены на борту космических аппаратов.

Задачей заявленного способа является упрощение технической реализации и снижение энергоемкости.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности реального размещения аппаратуры для реализации способа на борту космических аппаратов.

Для решения поставленной задачи с достижением технического результата, в известном способе определения абсолютной полной электронной концентрации ионосферы Земли вдоль траектории луча в произвольном направлении, заключающемся в том, что передают когерентное излучение с низкоорбитального ИСЗ и измеряют фазовые задержки волнового фронта излучения после прохождения через ионосферу Земли, согласно предлагаемому изобретению одновременно передают с ИСЗ когерентное узкополосное излучение на трех диапазонах частот, с центральными частотами - 150, 400 и 2844 МГц, производят одновременное измерение двух взаимных фазовых задержек Δϕ₁₂ и Δϕ₁₃ сигналов 150-400 МГц и 150-2844 МГц и по разности данных задержек определяют ПЭС из соотношения

,

где n₁=3;

n₂=8;

ε=40,3;

f₀=5,556 МГц;

c - скорость света;

значения x₁₂ и x₁₃ определяются из целочисленного соотношения при известных значениях n₁ и n₂.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Набег фазы радиосигнала, прошедшего через ионосферу, можно описать формулой

,

где S - геометрический путь, пройденный лучом;

ε=40,3;

f - несущая частота сигнала;

c≈3·10⁸ м/с - скорость света;

ds - элемент пути луча;

- полное электронное содержание.

Разность фаз для сигналов частот несущих f_a и f_b имеет вид

Разность фаз определяется приемником с неоднозначностью в целое число полных циклов.

Рассмотрим случай трех частот, причем соседние частоты отличаются в n₂/n₁ раз, где n₂ и n₁ - целые. Частоты, соответствующие этому случаю, можно выразить через основную частоту f₀: f₁=n₁ ²f₀, f₂=n₁n₂f₀, f₃=n₂ ²f₀. Тогда разность фаз для каждой пары частот можно записать в следующем виде:

Точность определения ПЭС определяется точностью определения набега фазы ΔP:

В реальности измерить можно только дробную часть фазы. Целая часть может быть определена путем разрешения фазовой неоднозначности. При двухчастотных измерениях неоднозначность ПЭС соответствует целому числу полных циклов фазы. Величины неоднозначностей для пар между тремя частотами имеют следующий вид:

Поскольку измерения на трех частотах производятся в один момент времени, значения ПЭС для всех трех случаев должны быть одинаковы. Следовательно, можно записать следующую пропорцию для разностей фаз:

Неоднозначность определения ПЭС при использовании трех частот выражается формулой

Неоднозначность значения ПЭС можно разрешить, решая уравнение в целых числах:

,

где Δϕ₁₂ и Δϕ₁₃ - дробные части измерений фазы;

K₁₂ и K₁₃ - неизвестные целые величины - число целых циклов набега фазы.

Правые части уравнений должны быть целыми, так как левая часть - целая.

Задача сводится к нахождению наименьшего общего знаменателя:

,

где k - целое.

Запишем значения абсолютных фаз:

.

Тогда значения восстановленного ПЭС можно представить в следующем виде:

С учетом соотношения получим

где k - произвольное целое число.

С учетом того, что значения x₁₂ и x₁₃ находятся из соотношения при известных значениях n₁ и n₂, а также того, что величина можно предположить, что k=0, поскольку в земной ионосфере не существует подобных концентраций.

Учитывая данное физическое ограничение можно записать соотношение для полного электронного содержания в следующем виде, однозначно определяющем абсолютное значение исследуемой величины,

Из указанного соотношения следует, что полученное ПЭС не зависит от фазовой неоднозначности.

Таким образом, использование трех узкополосных сигналов (одного исследовательского и двух опорных) в различных диапазонах частот позволяет определить ПЭС ионосферы с точностью 0.3 TECU (3% от минимально возможного ПЭС ионосферы Земли) при точности определения фазы приемником не хуже 1°, а также упростить техническую реализацию предложенного способа и существенно снизить требования к энергоемкости приемо-передающей аппаратуры, что позволяет разместить необходимое оборудование на борту космических аппаратов.

Способ определения абсолютной полной электронной концентрации ионосферы Земли, заключающийся в том, что передают когерентное излучение с низкоорбитального искусственного спутника Земли (ИСЗ) и измеряют фазовые задержки волнового фронта излучения после прохождения через ионосферу Земли, отличающийся тем, что одновременно передают с ИСЗ когерентное узкополосное излучение на трех диапазонах частот с центральными частотами - 150, 400 и 2844 МГц, принимают сигнал, производят одновременное измерение двух взаимных фазовых задержек Δϕ₁₂ и Δϕ₁₃, сигналов 150-400 МГц и 150-2844 МГц, и по разности данных задержек определяют абсолютную полную электронную концентрацию ионосферы Земли (ПЭС) из соотношения:

где n₁=3, n₂=8, ε=40,3, f₀=5,556 МГц, с - скорость света, а значения x₁₂ и x₁₃ определяются из целочисленного соотношения при известных значениях n₁ и n₂.