Разработка виртуального лабораторного комплекса обработки параметров ионосферы по данным сигналов ГНСС
ВВЕДЕНИЕ
В ионосфере содержатся ионизированные частицы, способные влиять на распространение радиоволн, тем самым, задаётся высокая актуальность для настоящей работы. Наблюдая за вариациями изменений ионосферы, можно использовать полученные данные для прогнозирования радиоканалов, в частности влияние на спутниковую связь. Состояние около-космического пространства влияет на работу спутниковых систем, обеспечивающих связь, навигацию, наблюдение за земной поверхностью, разведку, систему слежения и спасения. Вред от аварий на спутниковых системах становится все более опасным, и эта тенденция почти постоянно возрастает все с большей скоростью. Необходимо обращать особое внимание на неоднородности этого слоя. Точность системы морской навигации, использующей сигналы очень низких частот, зависит от точности определения высоты нижней границы ионосферы.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 6
1 Исследование ионосферы посредством сигналов ГНСС 9
1.1 Основные параметры ионосферы 9
1.2 Классификация ионосферных возмущений 12
1.3 Влияние ионосферных параметров на распространение радиоволн 13
1.4 Описание ГНСС 19
1.5 Вычисление параметров ПЭС 21
2 Методы и принципы зондирования ионосферы с помощью ГНСС 25
2.1 Метод вертикального зондирования 25
2.2 Метод наземной регистрации ГНСС сигналов (метод трансионосферного зондирования) ……………………………………… 26
3 Описание и дешифровка файлов формата RINEX 30
3.1 Описание формата RINEX 30
3.2 Алгоритм обработки, чтения и расшифровки данных ГНСС 36
3.3 Расшифровка файла эфемерид 41
4 Разработка методики обработки параметров ПЭС по данным ГНСС приемников 42
4.1 Методика определения вертикального ПЭС 42
4.2 Выбор спутников 43
4.3 Построение и сравнение графиков ПЭС 48
Заключение 53
Список литературных источников 55
Приложение А – Листинг кода расчёта ПЭС 58
СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Перевалова Н.П. Исследование ионосферных возмущений методом трансионосферногоGPS– зондирования: Н.П. Перевалова. –Иркутск, 2014. –31 с. - Текст : непосредственный.
2. Власов А.А.Оценка способов определения полного электронного содержания в ионосфере/А.А.Власов,Е.В. Кузьминых., В.В.Чукин// Всероссийские радиофизические научные чтения-конференция памяти Н.А. Арманда. Муром, 2010. - Текст : непосредственный.
3. Э.Л. Афраймович, П.В. Татаринов. Восстановление полного электронного содержания по данным двухчастотного GPS-приемника, установленного на борту низкоорбитального искусственного спутника Земли// Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ», 2005 [Электронный ресурс]. URL:http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2005/042.pdf (Дата обращения 19.09.2022). Текст : электронный.
4. Дэвис, К. Радиоволны в ионосфере / К. Дэвис. – М.: Мир, 1973. – 502 с. - Текст : непосредственный.
5. Григорьев, Г. И. Акустико-гравитационные волны в атмосфере (обзор) / Г. И. Григорьев // Известия ВУЗов. Радиофизика. – 1999. – Т. XLII, № 1. – С. 3–23. - Текст : непосредственный.
6. Брюнелли, Б. Е. Физика ионосферы / Б. Е. Брюнелли, А. А. Намгаладзе. – М.: Наука, 1988. – 528 с. - Текст : непосредственный.
7. Черный Ф.Б. Распространение радиоволн./ Ф.Б. Черный. - М.: Сов. Радио, 1972, 464 с. - Текст : непосредственный.
8. Hofmann-Wellenhof B., Lichtenegger H., Collins J. Global Positioning System: Theory and Practice. N.Y.: Springer – VerlagWien. 1992. - Текст : непосредственный.
При распространении радиоволн от наземного источника через более высокие слои ионосферы показатель преломления уменьшается. Траектория электромагнитной волны искривляется и при определенных условиях волна возвращается на Землю.
Отражение же радиоволн в ионосфере зависит от их частоты и угла падения на слой, следующим образом: чем больше угол падения волны, отсчитываемый от вертикальной линии в точке падения, тем более полога траектория луча в ионосфере. Следовательно, для возвращения луча на Землю потребуется меньшая электронная концентрация [6].
Минимальное значение угла падения, при котором возможно отражение радиоволн от ионосферы называется критическим. При угле падения меньше критического, радиоволны проходят через ионосферу, не отразившись. В связи с тем, что коэффициент преломления уменьшается с увеличением частоты, то длинные волны преломляются сильнее чем короткие. Максимальная частота, при которой электромагнитная волна может вернуться на Землю, называется максимально применимой частотой.
Поэтому вводят понятие критической частоты, которая является максимально применимой частотой при угле падения 90 градусов.
За счет многократного переотражения радиоволн от слоев ионосферы и земной поверхности электромагнитная волна может распространяться на большие расстояния, вплоть до огибания Земли в несколько раз. Но при переотражении возникают зоны молчания, так называемые области пространства, в пределах которой отсутствует приём сигналов передатчиков коротких волн, или эти сигналы оказываются значительно слабее в сравнении с сигналами, принимаемыми ближе или дальше этой области. Обычно наличие зоны молчания связано с характером распространения радиоволн в атмосфере.
При критической частоте сигнала, радиоволна перестает взаимодействовать с ионосферой. Критические частоты указывают степень ионизации слоев и могут быть использованы для прогнозирования погоды, выбора выгодных волн для связи, подсчёта протяжённости зоны молчания и т.д. [2]. Поглощающие свойства ионосферы зависят от колебаний свободных электронов. Электрон, возбужденный волной, сталкивается с нейтральной молекулой или ионом газа, отдает полученную им энергию.