РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ТРАНСИОНОСФЕРНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН И ИХ ВЛИЯНИЕ
НА ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ КОСМИЧЕСКИХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Поскольку для КНС характерно трансионосферное РРВ, то оно сопровождается следующими основными факторами [47]:
1) поглощением энергии радиоволн;
2) изменением направления их распространения (т.е. рефракцией);
3) рассеянием радиоволн на неоднородностях ионосферы;
4) отличием фазовой и групповой скоростей распространения через ионосферу различных частотных составляющих излучаемой волны, обусловленных дисперсионными свойствами ионосферы.
Влияние этих факторов проявляется в изменении параметров ЭМВ в точке приема, однозначно соответствующих изменению параметров принимаемого сигнала на входе схем обработки приемных устройств радиосистем. Вследствие чего помехоустойчивость приема сигналов в КНС будет ухудшаться [11,16,55].
2.1. Методы исследования неоднородной структуры ионосферы Земли.
Все методы исследования неоднородной структуры можно разделить на три группы [56,57]: радиофизические, прямые, оптические.
Последние обладают существенными ограничениями, вторые - вдобавок к тому же, являются эпизодическими, так как используют зондовые измерения на борту ИСЗ или ракеты. По этим причинам основными методами являются радиофизические. Они основаны на измерении вариаций характеристик радиоволн (амплитуды, фазы, доплеровского смещения частоты, фарадеевекого угла поворота эллипса поляризации и т.д.), прошедших, отраженных или рассеянных случайно-неоднородной ионосферой.
Одним из наиболее информативных методов является метод спутниковых радиомаяков. В этом случае на земле принимаются радиосигналы, излучаемые передатчиками, установленными на борту ИСЗ [76]. Последний находится на высотах от ~1000 км до ~36000 км. Используются радиоволны с частотой
f~I50-6000 МГц. Удается изучить пространственный спектр Ф(к) неоднородностей, интенсивность электронной концентрации , их высоту Zн и скорость движения vn. К другим достоинствам метода относятся: возможность получения сведений о неоднородностях при помощи соответствующей сети наземных (морских) приемников в глобальных масштабах, возможность измерения Ф(к) в широком диапазоне k т.е. размеров неоднородностей примерно l от 1 м до l~100 км.
К перспективным методам исследования флуктуации N, скорости движения неоднородностей относится метод некогерентного рассеяния. Он основан на рассеянии радиоволн дециметрового и сантиметрового диапазонов тепловыми флуктуациями N. Лучшие установки обладают высоким временным (>1 c) и пространственным (>900 м) разрешением. Для метода характерен необычайно широкий диапазон исследуемых высот (от 60 км до нескольких тысяч и даже до 10000 км) [50]. Главным недостатком метода является уникальность и высокая стоимость (~10 млн. долларов) установки. Всего в мире имеется меньше двадцати установок.
Метод ракурсного (т.е. направленного) рассеяния [60,68,69] - один из основных методов исследования достаточно мелкомасштабных неоднородностей (размер l~1-102 м). Основное достоинство этого метода - простота. Он основан на рассеянии радиоволн дециметрового и сантиметрового диапазонов магнитоориентированными неоднородностями.
Метод вертикального зондирования позволяет получать информацию о и vн в средней ионосфере. Установка (ионосферная станция или ионозонд) отличается относительной простотой. В настоящее время существует мировая сеть ионосферных станций. Метод частичных отражений (обратного рассеяния) основан на измерении и анализе характеристик обратно рассеянных неоднородностями D - области ионосферы радиоволн с частотой f~1-6 МГц и позволяет исследовать скорость движения неоднородностей в диапазоне
Z~70-100 км, а также получать в этом диапазоне профиль . В методе обратного рассеяния применяются и более высокие частоты (до 1000 МГц). Методы частичных отражений некогерентного рассеяния относятся к, так называемым, радиолокационным использующим рассеяние радиоволн. Последние обычно используются для исследования неоднородностей с l~102 м. В высокоширотной ионосфере также применяется рaдиометрический метод, основанный на измерении и анализе мощности космических радиошумов в диапазоне частот ~10-60 МГц. Метод отличается простотой, но не обладает высоким разрешением, не чувствителен к слабым флуктуациям ?N позволяет получить лишь оценку интеграла .
2.2. Изучение общих закономерностей влияния факторов трансионосферного распространения радиоволн на помехоустойчивость приемных устройств космических радионавигационных систем
Для того чтобы провести качественный анализ влияния указанных факторов трансионосферного РРВ на помехоустойчивость приемных устройств КНС воспользуемся элементарными представлениями о структуре ионосферы.
Как известно [77?79] распределение ЭК ионосферы по высоте z можно охарактеризовать совокупностью некоторого регулярного среднего значения Nеср(z) и случайных отклонений ЭК в пространстве ?Ne(x,y,z)=?Ne(?,z) относительно этого среднего
Ne=Nе ср(z)+?Ne(?,z). (2.1)
Пример, иллюстрирующий распределение ЭК в естественной (невозмущенной) ионосфере показан на рис.2.1.
Детерминированную составляющую распределения ЭК можно охарактеризовать с помощью интегральной средней ЭК
, (2.2)
где zэ - эквивалентная толщина ионосферы,
Nеm - максимальное среднее значение ЭК (в F - слое ионосферы).
Рис.2.1. Распределение электронной концентрации в
невозмущенной ионосфере Земли
Согласно (2.2) ее модель можно представить в виде однородного слоя с эквивалентной толщиной zэ и электронной концентрацией Nэm.
Флуктуационную составляющую распределения ЭК в неоднородностях ионосферы по всей ее толщине zэ, можно охарактеризовать флуктуациями интегральной ЭК
. (2.3)
Ее модель можно представить в виде тонкого слоя неоднородностей с флуктуациями ЭК ?Nт(