УПД отчет 4 тема переделанный. Отчет по дисциплине Учебнопроектная деятельность

• Название: Отчет по дисциплине Учебнопроектная деятельность
• Дата: 07.06.2022
• Размер: 0.53 Mb.
• Имя файла: УПД отчет 4 тема переделанный.docx
• Тип: Отчет; #574518

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра радиотехнических систем (РТС)

МЕТОДЫ РАСЧЁТА ПЭС ПО НАВИГАЦИОННЫМ СИГНАЛАМ

Отчет

по дисциплине «Учебно-проектная деятельность»

Выполнили:

студенты гр. 120-2

___________ Михалев А.О.

__________ Евстратенко А.

_____________ Линев М.А

«___» ___________ 2022

Руководитель УПД

Доцент кафедры РТС

_______ ____________ Захаров Ф.Н.

оценка

«___». _________.2022

дата

Томск 2022

Список исполнителей

ФИО студента	Группа	Разделы	Подпись, дата
Евстратенко Алексей Константинович	120-2	?	_______________
Линев Михаил Алексеевич	120-2	?	_______________
Михалев Артур Олегович	120-2	?	_______________

ТЗ

Оглавление

Введение

Целью данной работы является проверка метода обнаружения пуска ракеты по изменению структуры ионосферы Земли. и определить насколько он работоспособный. В качестве ракет будем рассматривать запуски с Байконура, а состояние ионосферы определять по навигационным сигналам и модели IRI-2012.

Задачи проекта:

1. 
   Ознакомиться с методом регистрации пусков ракет по сигналам глобальных спутниковых навигационных систем (ГНСС)
   
2. 
   Изучения строения атмосферы Земли. Параметры ионосферы, полное электронное содержание ионосферы (ПЭС).
   
3. 
   Изучение методов определения ПЭС по сигналам ГНСС
   
4. 
   Экспериментальное определение ПЭС по навигационным сигналам
   
5. 
   Экспериментальная проверка метода обнаружения пуска ракет по ионосферным возмущениям
   

Задачи на семестр:

1. 
   Описание методов регистрации пуска ракет, в том числе по сигналам глобальных спутниковых навигационных систем (ГНСС)
   
2. 
   Описание принципа работы ГНСС.
   
3. 
   Методы определения ПЭС (по высотным профилям электронной концентрации, по сигналам ГНСС).
   

1. Описание атмосферы

   1. Ионосфера

Ионосферой называют часть верхней атмосферы Земли, в которой плотность свободных электронов (уровень ионизации) достаточно велика, чтобы оказывать значительное влияние на распространение радиоволн. Нижняя граница ионосферы располагается на высоте 50-60 км, верхняя на уровне порядка 1000 км, где ионосфера переходит в плазмосферу или другие магнитосферные плазменные образования.



Рисунок 1.1 – Атмосфера земли [1]

Уровень ионизации зависит в первую очередь от активных явлений на Солнце. Ионосферные структуры и максимумы плотностей в ионосфере сильно зависят от времени (фазы цикла солнечной активности, времени года и времени суток), от географического положения (полярная и авроральная зоны, среднеширотные и экваториальные области) и от ионосферных возмущений, вызванных солнечной активностью

2. Параметры ионосферы

Состояние ионосферы описывается несколькими параметрами: электронным содержанием в ионосфере, ионным составом, ионной и электронной температурами, скоростью движения частиц и др. При этом с практической точки зрения для ГНСС ключевым параметром является электронное содержание в ионосфере, поскольку именно оно непосредственно влияет на распространение радиоволн и вносит ионосферную задержку в измерения дальности.

В зависимости от высоты и распределения электронного содержания ионосферу условно разделяют на слои: D (ниже 90 км), E (от 90 до 130 км), F1 (от 130 до 200 км) и F2 (выше 200 км). Максимальная концентрация электронов и ионов расположена в слое F2 на высотах от 250 до 450 км.



Рисунок 2.1. Структура ионосферы [2]

3. Полное электронное содержание ионосферы

Полное электронное содержание – это полное число электронов в столбе единичного сечения, проходящего через ионосферу.

,

где I – полное электронное содержание,

N_e – локальная электронная концентрация,

S_topи S_bot – высота нижней и верхней и нижней границы ионосферы.

ПЭС изменяется под воздействием солнечного ультрафиолетового излучения, геомагнитных бурь и атмосферных волн, распространяющихся из нижней атмосферы. ПЭС является важной составляющей при изучении ионосферы Земли. В настоящее время активно развивается способ определения ПЭС методом радиозондирования сигналами спутников глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС).

Расчет ПЭС основан на дисперсионной зависимости показателя преломления радиоволн, распространяющихся через ионосферу, и учитывает электронную концентрацию на пути распространения радиоволны. Среда распространения оказывает влияние на характеристики распространяющегося сигнала, поэтому анализ изменений сигнала позволяет получить характеристики среды и, таким образом, осуществлять ее дистанционное зондирование.

Одним из основных источников ошибки при оценке ПЭС являются инструментальные задержки, т.е. временные задержки прохождения сигналов по цепям приемника потребителя и передатчика спутника. Задержка сигнала в цепях передатчика спутника и приемника потребителя зависит от частоты сигнала, передаваемого спутником, что вызывает смещение сигналов на частотах и относительно друг друга. Обычно их называют дифференциальными кодовыми задержками (differential code biases, DCBs). Все спутники системы GPS излучают сигналы на двух одинаковых частотах и . Спутники GPS имеют индивидуальные задержки этих сигналов в передающих цепях, но в цепях конкретного приемника потребителя каждая частота имеет одинаковую задержку. Спутники ГЛОНАСС передают сигналы на различных частотах и . Задержки сигнала у спутников различны внутри передающих цепей, и при этом в приемнике ГЛОНАСС каждая частота и также имеет свою задержку.

2. Влияние ионосферы на навигационные сигналы

Физические характеристики ионосферы изменяются ото дня к ночи в широких пределах. Когда Солнце восходит, его ультрафиолетовое излучение начинает разлагать молекулы газа (в основном H2 и He на больших высотах, а на меньших высотах – O2 и N2) на ионы и свободные электроны. Пик электронной плотности наступает около 2 часов после местного полудня, а затем плотность начинает уменьшаться. Ночью ионизация не происходит, и ионы и электроны находят друг друга и рекомбинируют, уменьшая количество свободных электронов. Наблюдаются значительные изменения в зависимости от времени года и фазы 25-летнего цикла солнечной активности. (Текущий солнечный цикл начался в 2019 г. и будет иметь пик в 2025 г.) Может также проявляться значительная изменяемость ото дня ко дню, в зависимости от солнечной активности и геомагнитных нарушений. Есть также непредсказуемые краткосрочные влияния и локальные аномалии (подвижные ионосферные нарушения). Скорость распространения радиосигналов в ионосфере зависит от числа свободных электронов на их пути, определяемых величиной полной электронной концентрации ПЭС. Это число электронов, содержащихся в столбе сечением в 1 м², простирающемся от приемника до спутника.

Длина пути через ионосферу самая короткая в направлении зенита, и поэтому ПЭС имеет наименьшее значение в вертикальном направлении Величина ПЭС измеряется в единицах TECU (TEC Units), определяемых как 10¹⁶ электронов/м². Обычно ПЭС изменяется между 1 и 150 TECU. В данном месте и в данное время ПЭС может изменяться на 20-25% от его среднемесячного значения. Современные модели ионосферы не обеспечивают адекватное представление изменений в ПЭС между сутками. Ионосфера обычно имеет спокойное поведение в умеренных широтах, но может флуктуировать вблизи экватора и магнитных полюсов. Район с наивысшей ионосферной задержкой лежит в пределах ±20° от магнитного экватора. Солнечные вспышки и последующие магнитные бури могут создавать обширные и быстрые флуктуации в фазе несущей (называемые сцинтилляциями) и в амплитуде (называемые затуханиями) сигналов СРНС. Это явление, хотя и кратковременное и нечастое в средних широтах, может создавать трудности в непрерывном отслеживании сигналов в полярных и экваториальных районах.

3. Описание метода регистрации пуска ракет путем сигнала глобальных спутниковых навигационных систем (ГНСС)

Новую эру в дистанционной диагностике ионосферы открыло развитие глобальных навигационных спутниковых систем и создание широко разветвленной сети приемников этих систем. Основная операция, выполняемая любой ГНСС, – определение точных координат приемника, регистрирующего сигналы от навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ). Помимо осуществления позиционирования ГНСС позволяют решать прикладные геодезические задачи, а также проводить фундаментальные геодинамические исследования. В то же время, навигационные системы дают возможность получать ряд параметров, важных для диагностики состояния ионосферы и околоземного космического пространства:

1) полное электронное содержание вдоль луча "приемник-НИСЗ" и его вариации;

2) ошибки позиционирования и плотность сбоев навигационно-временных измерений;

3) интенсивность мерцаний навигационного сигнала и др.

Цифровая информация в спутниковом сигнале ГНСС передается посредством двоичной фазовой манипуляции. На рисунке 2.1 представлен пример манипуляции несущей частоты кодовой последовательностью. При смене значения в кодовой последовательности с +1 на –1 (или, что эквивалентно, смене 1 на 0) фаза несущей скачком меняется на 180°. Производя прием и обработку сообщений, переданных таким образом, потребитель определяет свои пространственные координаты и вектор скорости своего движения. Кроме того, при этом производится синхронизация часов в аппаратуре потребителя с бортовыми часами НИСЗ и их "привязка" к шкале Координированного Всемирного времени (UTC). Передача со спутников ГНСС ведется на двух частотах. Для обеих систем (ГЛОНАСС и GPS) несущие частоты выбраны вблизи 1600 МГц и 1200 МГц. В системе GPS осуществляется кодовое разделение каналов – каждому НИСЗ соответствует своя уникальная псевдослучайная последовательность, используемая для кодирования данных. Частоты для всех спутников одинаковы и составляют L1=1575,42 МГц и L2=1227.60 МГц. В системе ГЛОНАСС применяется частотное разделение каналов: базовые частоты составляют =1602 МГц и =1246 МГц; соседние каналы для данных частот отстоят друг от друга на ∆ =0.5625 МГц и ∆ =0.4375 МГц, соответственно. Несущая частота канала, таким образом, определяется как , где =1,2 – номер частоты, а – номер канала. В силу того, что рабочие частоты ГЛОНАСС лежат близко к диапазону работы радиотелескопов (1610.6 – 1613.8 МГц), с 2005 г. системой используются каналы с =-7, .., 4



Рисунок 2.1 - Двоичная фазовая манипуляция несущей частоты кодовой последовательностью

4. Методы расчёта ПЭС по навигационным сигналам
   
   
   

   1. Метод определения полного электронного содержаний с помощью сигналов спутников ГЛОНАСС

Исходные данные для расчета ПЭС получают в виде бинарных файлов, формируемых в приемнике потребителя. Для того чтобы с ними можно было работать, бинарные данные переводят в текстовый вид. Формат получаемых текстовых файлов унифицирован и представляет собой международный аппаратно-независимый формат обмена данными для файлов исходных данных спутниковых навигационных приемников, позволяющий производить постобработку полученных данных. Его общепринятое название RINEX (The Receiver Independent Exchange Format). Псевдодальность определяется из кодовых измерений как расстояние между спутником и приемником, вычисленное по времени распространения сигнала без поправки на расхождение часов спутника и приемника. Время распространения сигнала можно разделить на три различные составляющие: задержку сигнала, происходящую на спутнике между генерацией сигнала и его передачей из антенны спутника; время прохождения сигнала от передающей антенны до антенны приемника и задержку сигнала между принимающей антенной и коррелятором сигналов в приемнике. Временная разность включает также уход часов спутника и приемника, многолучевость принимаемого сигнала, погрешность измерения. Поскольку рассчитанная таким образом дальность не является геометрической дальностью от антенны приемника до антенны спутника, ее называют псевдодальностью. При фазовых измерениях выполняют измерение разности фаз сигналов – приходящего (со спутника) и опорного (в приемнике) несущей частоты с неопределенным начальным значением числа циклов (волн) (так называемая начальная фаза сигнала – полное изменении фазы при распространении сигнала от генератора спутника до процессора приемника в начальный момент записи сигнала в приемнике потребителя). Значения фазы несущих обозначают L₁ и L₂ и выражают, как правило, в целых циклах. В общем виде формулу расчета ПЭС можно записать:

,

где I – полное электронное содержание,

n_e – локальная электронная концентрация,

l – расстояние по прямой линии между приемником и передатчиком.

Применительно к расчетам по кодовым (псевдодальностям) и фазовым измерениям сигналов спутников ГНСС полное электронное содержание вдоль луча зрения от приемника до спутника вычисляют по следующим формулам:

а) по псевдодальностям с неизвестными дифференциальными кодовыми задержками: , где L1·λ1 и L2·λ2 – приращения фазового пути радиосигнала в ионосфере, L1 = ∆φ/2π и L2 = ∆φ/2π – фазовые измерения ГНСС приемника, выполненные на частоте f1 и f2 соответственно. Полное электронное содержание I_SPb и I_SLc называют также наклонным ПЭС.

Реальные значения наклонного ПЭС, получаемые по псевдодальностям, можно вычислить, если будут известны дифференциальные кодовые задержки:

I_SP = I_SPb – (B_s + B_r),

B_s + B_r = )(b_s+b_s),

где I_SP – абсолютное ПЭС по измерениям псевдодальностей,

b_s – дифференциальные кодовые задержки в аппаратуре спутника,

br – дифференциальные кодовые задержки в аппаратуре приемника.

Вариации ПЭС, получаемые по измерениям псевдодальностей, сильно зашумлены из-за эффекта многолучевости: уровень шума составляет в среднем несколько TECU (рис. 1, верхняя сплошная линия). Это делает практически невозможным выделение полезных вариаций ПЭС. В то же время, значения ПЭС, полученные по фазовым измерениям, зашумлены значительно меньше, поэтому для ионосферных исследований предпочтительно используют их (рис. 4.1, нижняя сплошная линия).




Рисунок 4.1 - ПЭС, расчитанное по измерениям псевдодальностей и по фазовым измерениям, без учёта дифференциальных кодовых задержек и начальной фазы

Отсутствие информации о начальной фазе сигнала не дает возможность рассчитать абсолютные значения ПЭС по фазовым измерениям и использовать их для анализа состояния ионизированной среды. Для того чтобы получить значения ПЭС по фазовым измерениям, сначала рассчитывают, несмотря на многолучевость сигнала, значения ПЭС из псевдодальностей ISP. Откорректированные значения ПЭС по фазовым измерениям ISL для данного пролета спутника получают по формулам:

I_SL = I_SLc +C_rs,

C_rs= ,

где Crs – величина коррекции, полученная из исходных ПЭС методом наименьших квадратов; N – число измерений, используемых для расчета ПЭС. Результат такой коррекции приведен на рис. 1. Верхняя штриховая кривая показывает положение скорректированного фазового ПЭС ISL.

2. Метод определения ПЭС с помощью сигналов GPS

Полное электронное содержание по фазовым измерениям псевдодальности рассчитывалось по формуле:

,

где 𝐾 = [TECU], 1 TECU = 10¹⁶ 𝑚⁻². L₁, L₂ – псевдодальности, измеренные фазовым методом, f₁, f₂ – частоты радиосигналов. 𝐼𝐿 – ПЭС, рассчитанное по измерениям фазы сигнала ГНСС (GPS, ГЛОНАСС), const – константа неопределенности, связанная с тем, что фаза принимаемого сигнала измеряется относительно опорного сигнала, генерируемого приемником, который никак не синхронизирован с оборудованием на спутнике. Так же большинство приемников геодезического класса на данный момент позволяют измерять псевдодальность:

𝑃 = 𝑐 △ 𝑇 + 𝑐𝜏,

где △ 𝑇 – время распространения сигнала через ионосферу, 𝜏 – отклонение часов приемника от системного времени ГНСС.

𝑃 = 𝐿𝑖𝜆𝑖 + 𝑐𝜏, i = 1,2,

Отсюда следует, что ПЭС может быть также определено через разность псевдодальностей на частотах 𝑓₁и 𝑓₂.

𝐼_p = ,

Поэтому полное электронное содержание на пути следования сигнала будем определять с помощью выражения, а формулу будем использовать для нахождения константы неопределённости

𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 = 1/𝑁 ,

суммирование производится по всем реализации, N – общее число отсчетов. Для детального изучения малых вариаций ПЭС из исходной зависимости 𝐼𝐿 удалялся тренд при помощи вычитания скользящего среднего с использованием линейной весовой функции:

,

где 𝑑𝐼 - колебания ПЭС относительно среднего уровня, N - параметр усреднения, общее число точек суммирования.

Были произведены расчеты ПЭС по данным 1 января 2000 года (рис 4.2)



Рисунок 4.2 – Зависимость ПЭС от времени

Заключение

Были рассмотрены метод регистрации пуска ракет, в том числе по сигналам глобальных спутниковых навигационных систем (ГНСС), а также принцип работы ГНСС. Метод определения ПЭС (по высотным профилям электронной концентрации, по сигналам ГНСС).

Были произведены расчеты ПЭС за 1 января 2000 года.

Список литературы

1. 
   https://shkolnaiapora.ru/question/chto-naxoditsya-v-vozduxe-atmosfery-zemli
   
2. 
   https://bigenc.ru/physics/text/2018264
   
3. 
   https://www.glonass-iac.ru/iono/about/
   
4. 
   https://www.nngasu.ru/geodesy/classification/chastnye-klassifikatsii/10_GNSS.php
   
5. 
   https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/056/381.htm