Наблюдения и анализ статистических характеристик трансионосферных радиосигналов
|
Введение
Спутниковая навигационная система ...
Ошибки в трансионосферных сигналах
Цель работы
Глава 1. Исследование суточного хода полного электронного содержания
Глава 2. Исследование флуктуаций сигналов
2.1 Исследование хода индексов флуктуаций для GPS спутников
2.2 Исследование хода индексов флуктуаций для геостационарных спутников
2.3 Исследование корреляции индексов флуктуаций, полученных на разных приёмниках
2.4 Анализ спектров флуктуаций
Глава 3. Анализ вкладов различных факторов в результирующее искажение сигналов
Заключение
Литература
Описание эксперимента
Спутниковая навигационная система ...
Ошибки в трансионосферных сигналах
Цель работы
Глава 1. Исследование суточного хода полного электронного содержания
Глава 2. Исследование флуктуаций сигналов
2.1 Исследование хода индексов флуктуаций для GPS спутников
2.2 Исследование хода индексов флуктуаций для геостационарных спутников
2.3 Исследование корреляции индексов флуктуаций, полученных на разных приёмниках
2.4 Анализ спектров флуктуаций
Глава 3. Анализ вкладов различных факторов в результирующее искажение сигналов
Заключение
Литература
Описание эксперимента
Спутниковая навигационная система - система, предназначенная для определения местоположения наземных, водных и воздушных объектов. Первая такая система была разработана США в 60-е года XX века с целью обеспечения информацией о точных координатах своих атомных подводных лодок со стратегическими баллистическими ракетами. В наше время существует множество спутниковых навигационных систем, однако, только две: американская GPS и отечественная ГЛОНАСС обеспечивают полное и бесперебойное покрытие земного шара.
Рассмотрим более подробно систему GPS (Global Positioning System-система глобального позиционирования), так как в данной работе использовалась именно она. GPS начали разрабатывать в 70-е годы, постепенно запуская и совершенствуя спутники, и в 1993 году, когда последний 24-й спутник, необходимый для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту, GPS официально заработала. На сегодняшний день GPS насчитывает 32 спутника.
Техническая реализация и принцип работы GPS
GPS состоит из трех сегментов:
космический пользовательский управляющий
Космический сегмент состоит из 32 спутников, распределенных по 6 средним орбитам Земли (расстояние до спутников имеет порядок 20200км, а период обращения 11часов 58минут). Каждый спутник передает сигнал, который состоит из двух синусоид (также известных как несущие частоты), двух цифровых кодов и навигационного сообщения. Несущие частоты и коды используются, в основном, для определения расстояния от приемника до GPS спутников. Навигационные сообщения содержат наряду с другой информацией координаты спутников как функцию времени. Переданные сигналы контролируются высокоточными атомными часами, которые расположены на борту спутников [1].
Пользовательский сегмент состоит из всех военных и гражданских пользователей.
С GPS приемником соединяется GPS антенна, а пользователь может принимать GPS сигналы, которые он использует, чтобы определять свое местоположение.
Управляющий сегмент представляет собой управляющую станцию, расположенную в США и всемирную сеть станций мониторинга и наземных антенн. Изначально задачей управляющего сегмента было выслеживание GPS спутников, чтобы определять и прогнозировать местоположение спутников, атмосферные данные, спутниковый альманах (таблица положений всех спутников) и другое.
GPS: основная идея
Принцип работы довольно прост. Если расстояние от точки на поверхности Земли (GPS приемника) до любых трех GPS спутников известно, тогда местоположение точки (GPS приемника) может быть легко определено. Каждый GPS спутник непрерывно излучает микроволновый радиосигнал (сферическую волну), состоящий из двух несущих частот, двух цифровых кодов и навигационного сообщения. Когда GPS приемник включен, он принимает сигнал через антенну, затем сигнал будет обрабатываться с помощью встроенного программного обеспечения. Частичный результат обработки сигналов состоит из расстояний до GPS- спутников через цифровые коды (известные как псевдодальности) и спутниковых координат через навигационные сообщения.
Теоретически нужны расстояния до трех GPS спутников (Рис.1). В этом случае приемник бы находился на пересечении трех сфер, где радиус каждой сферы соответствовал расстоянию до соответствующего спутника (работает для вакуума). Однако с практической точки зрения нужны четыре GPS спутника, так как ещё существует задержка сигнала по времени [1].
Ошибки в трансионосферных сигналах
Основным источником ошибок спутниковых навигационных систем является атмосфера Земли. Она вносит дополнительные задержки времени распространения навигационных сигналов за счёт отличия скорости распространения электромагнитных волн в ионосфере от скорости света. Эти дополнительные задержки зависят от многих факторов, таких как состояние ионосферы, угол наклона траектории сигнала по отношению к вертикали, солнечной активности времени года, суток и другие, которые не всегда известны. Кроме того, мелкомасштабные флуктуации электронной плотности ионосферы и флуктуации индекса рефракции тропосферы приводят к флуктуациям параметров навигационного сигнала, которые также вносят свой вклад в атмосферные ошибки.
Хотя с точки зрения задачи навигации атмосферные ошибки являются мешающим фактором, приводящим к ухудшению работы системы, исследование искажений сигнала даёт информацию о свойствах среды распространения, что представляет интерес с точки зрения исследования свойств окружающей среды. Кроме того, информация о среде распространения может быть использована для компенсации атмосферных ошибок.
В частности, важнейшим параметром ионосферы, фактически определяющим дополнительную задержку сигнала, является величина полного электронного содержания.
Также важными параметрами, характеризующими величину флуктуаций в ионосфере, являются индексы мерцания амплитуды и фазы.
В настоящей работе предполагается проведение наблюдений трансионосферных навигационных сигналов с использованием имеющейся аппаратуры с целью выяснения её возможностей для получения экспериментальных данных, которые могут быть использованы для оценок параметров среды распространения сигналов.
Научная и практическая ценность.
Исследование возмущений в ионосфере представляет большой интерес как для углубления фундаментальных знаний о физике околоземного космического пространства, так и в прикладных целях для оперативной диагностики и прогноза условий космической погоды.
Результаты, полученные в данной работе могут быть использованы: - для изучения физических процессов формирования неоднородностей ионосферы; для решения практических вопросов, направленных на улучшение качества и точности спутниковых навигационных систем.
Цель работы: экспериментальных результатов с целью определения полной электронной концентрации ионосферы и параметров флуктуаций сигналов, в том числе спектров флуктуаций.
Получение двухчастотных данных для определения полного электронногосодержания (ПЭС) ионосферы и их обработка для исследования временного хода ПЭС.
Получение практических экспериментальных данных, используя 50Гц режим GPS приемника, и их обработка, с целью измерения индексов флуктуации фазы и амплитуды ионосферы, и последующего спектрального анализа.
Сравнение результатов аналогичных измерений, выполненных на двухприёмниках, с целью дополнительной верификации результатов.
Рассмотрим более подробно систему GPS (Global Positioning System-система глобального позиционирования), так как в данной работе использовалась именно она. GPS начали разрабатывать в 70-е годы, постепенно запуская и совершенствуя спутники, и в 1993 году, когда последний 24-й спутник, необходимый для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту, GPS официально заработала. На сегодняшний день GPS насчитывает 32 спутника.
Техническая реализация и принцип работы GPS
GPS состоит из трех сегментов:
космический пользовательский управляющий
Космический сегмент состоит из 32 спутников, распределенных по 6 средним орбитам Земли (расстояние до спутников имеет порядок 20200км, а период обращения 11часов 58минут). Каждый спутник передает сигнал, который состоит из двух синусоид (также известных как несущие частоты), двух цифровых кодов и навигационного сообщения. Несущие частоты и коды используются, в основном, для определения расстояния от приемника до GPS спутников. Навигационные сообщения содержат наряду с другой информацией координаты спутников как функцию времени. Переданные сигналы контролируются высокоточными атомными часами, которые расположены на борту спутников [1].
Пользовательский сегмент состоит из всех военных и гражданских пользователей.
С GPS приемником соединяется GPS антенна, а пользователь может принимать GPS сигналы, которые он использует, чтобы определять свое местоположение.
Управляющий сегмент представляет собой управляющую станцию, расположенную в США и всемирную сеть станций мониторинга и наземных антенн. Изначально задачей управляющего сегмента было выслеживание GPS спутников, чтобы определять и прогнозировать местоположение спутников, атмосферные данные, спутниковый альманах (таблица положений всех спутников) и другое.
GPS: основная идея
Принцип работы довольно прост. Если расстояние от точки на поверхности Земли (GPS приемника) до любых трех GPS спутников известно, тогда местоположение точки (GPS приемника) может быть легко определено. Каждый GPS спутник непрерывно излучает микроволновый радиосигнал (сферическую волну), состоящий из двух несущих частот, двух цифровых кодов и навигационного сообщения. Когда GPS приемник включен, он принимает сигнал через антенну, затем сигнал будет обрабатываться с помощью встроенного программного обеспечения. Частичный результат обработки сигналов состоит из расстояний до GPS- спутников через цифровые коды (известные как псевдодальности) и спутниковых координат через навигационные сообщения.
Теоретически нужны расстояния до трех GPS спутников (Рис.1). В этом случае приемник бы находился на пересечении трех сфер, где радиус каждой сферы соответствовал расстоянию до соответствующего спутника (работает для вакуума). Однако с практической точки зрения нужны четыре GPS спутника, так как ещё существует задержка сигнала по времени [1].
Ошибки в трансионосферных сигналах
Основным источником ошибок спутниковых навигационных систем является атмосфера Земли. Она вносит дополнительные задержки времени распространения навигационных сигналов за счёт отличия скорости распространения электромагнитных волн в ионосфере от скорости света. Эти дополнительные задержки зависят от многих факторов, таких как состояние ионосферы, угол наклона траектории сигнала по отношению к вертикали, солнечной активности времени года, суток и другие, которые не всегда известны. Кроме того, мелкомасштабные флуктуации электронной плотности ионосферы и флуктуации индекса рефракции тропосферы приводят к флуктуациям параметров навигационного сигнала, которые также вносят свой вклад в атмосферные ошибки.
Хотя с точки зрения задачи навигации атмосферные ошибки являются мешающим фактором, приводящим к ухудшению работы системы, исследование искажений сигнала даёт информацию о свойствах среды распространения, что представляет интерес с точки зрения исследования свойств окружающей среды. Кроме того, информация о среде распространения может быть использована для компенсации атмосферных ошибок.
В частности, важнейшим параметром ионосферы, фактически определяющим дополнительную задержку сигнала, является величина полного электронного содержания.
Также важными параметрами, характеризующими величину флуктуаций в ионосфере, являются индексы мерцания амплитуды и фазы.
В настоящей работе предполагается проведение наблюдений трансионосферных навигационных сигналов с использованием имеющейся аппаратуры с целью выяснения её возможностей для получения экспериментальных данных, которые могут быть использованы для оценок параметров среды распространения сигналов.
Научная и практическая ценность.
Исследование возмущений в ионосфере представляет большой интерес как для углубления фундаментальных знаний о физике околоземного космического пространства, так и в прикладных целях для оперативной диагностики и прогноза условий космической погоды.
Результаты, полученные в данной работе могут быть использованы: - для изучения физических процессов формирования неоднородностей ионосферы; для решения практических вопросов, направленных на улучшение качества и точности спутниковых навигационных систем.
Цель работы: экспериментальных результатов с целью определения полной электронной концентрации ионосферы и параметров флуктуаций сигналов, в том числе спектров флуктуаций.
Получение двухчастотных данных для определения полного электронногосодержания (ПЭС) ионосферы и их обработка для исследования временного хода ПЭС.
Получение практических экспериментальных данных, используя 50Гц режим GPS приемника, и их обработка, с целью измерения индексов флуктуации фазы и амплитуды ионосферы, и последующего спектрального анализа.
Сравнение результатов аналогичных измерений, выполненных на двухприёмниках, с целью дополнительной верификации результатов.
В работе проведены наблюдения трансионосферных навигационных сигналов с целью выяснения возможностей имеющейся аппаратуры для получения экспериментальных данных, которые могут быть использованы для оценок параметров среды распространения сигналов.
Для наблюдений были использованы приемно-регистрационные комплексы, состоящие из двух профессиональных измерительных приемников геодезического класса производителей Septentrio и Novatel.
Анализ временного хода ПЭС и индексов ионосферных мерцаний показал, что значения, полученные с помощью приемника Septentrio, всегда меньше аналогичных значений, полученных с помощью приемника Novatel. Спектральный анализ фазы и амплитуды сигнала так же показал, что значения полезной и шумовой составляющей у приемника Novatel несколько выше. При анализе данных было выяснено, что оба приемника неидеальны, и у каждого имеются свои недостатки.
В некоторых сеансах измерений на суточном ходе ПЭС были зафиксированы быстрые нерегулярные изменения ПЭС, которые, по-видимому, являлись следствием геомагнитной бури, происходившей во время наблюдений.
При исследовании ионосферных мерцаний были получены индексы флуктуаций амплитуды мерцаний S4 и фазы мерцаний ц^, и коэффициенты корреляции между аналогичными величинами для обоих приёмников. Анализ коэффициентов корреляции говорит о том, что приёмники фиксируют не случайный шум, а изменения, происходящие в атмосфере.
При анализе флуктуаций на двух частотах было выяснено, что в условиях эксперимента (область средних широт ~60° с. ш.) ионосферная составляющая флуктуаций в большинстве случаев значительно слабее других факторов (тропосфера, многолучёвость). Поэтому для исследования ионосферных неоднородностей в наших условиях требуются длительные наблюдения с последующим отбором данных для анализа.
Для наблюдений были использованы приемно-регистрационные комплексы, состоящие из двух профессиональных измерительных приемников геодезического класса производителей Septentrio и Novatel.
Анализ временного хода ПЭС и индексов ионосферных мерцаний показал, что значения, полученные с помощью приемника Septentrio, всегда меньше аналогичных значений, полученных с помощью приемника Novatel. Спектральный анализ фазы и амплитуды сигнала так же показал, что значения полезной и шумовой составляющей у приемника Novatel несколько выше. При анализе данных было выяснено, что оба приемника неидеальны, и у каждого имеются свои недостатки.
В некоторых сеансах измерений на суточном ходе ПЭС были зафиксированы быстрые нерегулярные изменения ПЭС, которые, по-видимому, являлись следствием геомагнитной бури, происходившей во время наблюдений.
При исследовании ионосферных мерцаний были получены индексы флуктуаций амплитуды мерцаний S4 и фазы мерцаний ц^, и коэффициенты корреляции между аналогичными величинами для обоих приёмников. Анализ коэффициентов корреляции говорит о том, что приёмники фиксируют не случайный шум, а изменения, происходящие в атмосфере.
При анализе флуктуаций на двух частотах было выяснено, что в условиях эксперимента (область средних широт ~60° с. ш.) ионосферная составляющая флуктуаций в большинстве случаев значительно слабее других факторов (тропосфера, многолучёвость). Поэтому для исследования ионосферных неоднородностей в наших условиях требуются длительные наблюдения с последующим отбором данных для анализа.
Подобные работы
- Наблюдения и анализ статистических характеристик трансионосферных радиосигналов
Дипломные работы, ВКР, физика. Язык работы: Русский. Цена: 4220 р. Год сдачи: 2017 - Анализ влияния метеорологических возмущений атмосферы на вариации ионосферных паров
Дипломные работы, ВКР, физика. Язык работы: Русский. Цена: 4385 р. Год сдачи: 2016