Амплитудные и фазовые измерения ионосферы презентация

Амплитудные и фазовые измерения ионосферы Выполнил: студент гр 06-529 Сахибуллин И.А.

Флуктуации амплитуды радиоволн при распространении в турбулентной атмосфере Коэффициент преломления ионосферы Земли испытывает флуктуации, вызванные турбулентными процессами в атмосфере. Этим объясняется рас­сеивание радиоволн флуктуации амплитуды. Естественно, это снижает каче­ство радиосвязи и порой является ограничивающим фактором распростране­ния радиоволн. Для дальнейших расчетов удобно использовать величину [58] / = ЫЕ/ЕО Где E амплитуда поля, Е0 амплитуда поля при отсутствии турбулент­ной среды. Из теории распространения радиоволн следует, что величина I распределена по нормальному закону с нулевым средним значением и сред­неквадратичным значением

</2> =2 n2k2Lj° 1— sФп (к)Kdx (2.14) </2> =2 n2k2Lj° 1— sФп (к)Kdx (2.14) к- волновое число, L-расстояние пройденное волной Фп(я) - спектр флуктуаций коэффициента преломления. В ионосфере флуктуации коэффициента преломления обусловлены флуктуациями электронной плотности на достаточно больших высотах. 2ne2aN оп о m<jL)z aN — дисперсия флуктуации электронной плотности, e-заряд электрона, л ю- частота. Однако известно что величина бгп/N постоянная (~10-). Средний квадрат логарифма амплитуды: 2i 2 <l2>=?f2/N2(h)dl (2.15) Отсюда следует согласно расчетам [1] средняя амплитуда поля примет вид <I2>. <E>=E0 exp ( — —) (2.16)

Фазовые измерения Фазовым методом выполняются наиболее точные измерения. Расчетная инструментальная погрешность dPu. составляет около 0,01 от длины волны и при X = 19 см SPU < 0,01Л = 0,01 -19см - 2мм. (118) Предположим, имеются идеальные условия - спутник относительно приемника неподвижен, электромагнитные колебания генераторов КА и ап­паратуры пользователя (АП) строго синхронны, их частоты и начальные фа­зы одинаковы [20]. Тогда в АП фаза фкл пришедших волн будет отставать от фазы фАП местных колебаний на величину, пропорциональную времени т пробега волной расстояния R от спутника до наземной станции, где т = R/c. Разность фаз будет Дф = <рш —фш = от = 2f / с = 2лК / Л, (119) R = ДфЛ/2ж = (N + Ф)Л. (120) В формулах c, f и X соответственно скорость электромагнитных колеба­ний в вакууме, частота и длина несущей волны. Отсюда R = кфХ12ж = (N + Ф)Я, (121) где: Ф - доля; N - целое число волн X в расстоянии Р.

Важной особенностью является то, что измеряется только величина Ф. Число N из измерений получить невозможно. Если длина волны 19 см, то фиксируется расстояние только в пределах этих 19 см. Учитывая высоту по­лета спутников, нетрудно подсчитать, что число N > 100 000 000. Сколько же точно - неизвестно. Задача не имеет однозначного решения. Нужны допол­нительные усилия по нахождению чисел неоднозначности N, т.е. по разреше­нию неоднозначности фазовых измерений. В действительности задача еще сложнее. Колебания генераторов КА и АП несинхронны: их частоты отличаются от номинала, а начальные фазы не­одинаковы. По этой причине в текущий момент суммарное искажение изме­ряемой разности фаз равно ДфКА + АфАП. Кроме того, дальность до спутника R не остается постоянной. Пока волна идет от передатчика на спутнике до при­емника на Земле, спутник движется. Соответственно расстояние R или рас­тет, или убывает, изменяясь с некоторой скоростью vR. В свою очередь ско­рость vR также может или расти, или убывать. Вместе со спутником перемещается его передатчик. Вследствие пере­мещения передатчика возникает эффект Доплера. Если спутник движется на­встречу приемнику, последний в единицу времени принимает больше волн по сравнению с неподвижным спутником. Это означает, что принимаемые волны стали короче, а частота колебаний - больше. С удалением спутника картина меняется на обратную - принимаемые волны удлиняются, а частота уменьшается. Частота принимаемого с дистанции сигнала отличается от час­тоты излучаемого сигнала на величину доплеровского сдвига частоты f%. /Д ~—fVR ! С , ~ 2-^fД (1.22) где Юд - круговая доплеровская частота.

Приемник осуществляет поиск пришедшего сигнала в диапазоне воз­можных доплеровских частот и выполняет подстройку под его частоту и фа­зу. Чтобы пояснить, как определяется пришедших в приемник волн фазо­вый сдвиг, пропорциональный пройденному ими пути, нужны такие понятия, как гетеродин, промежуточная частота и ряд других. Поэтому дальнейшие пояснения дадим, ограничиваясь геометрическим уровнем.

Принципиально важно отметить одно обстоятельство. Как только при­емник поймал сигнал спутника, он начинает отслеживать и измерять измене­ния разностей фаз, обусловленные движением спутника. После каждого из­менения расстояния от спутника до приемника на длину несущей волны X, фаза этого сигнала меняется на один цикл. Поэтому измеряемая часть фазы несущей волны содержит не только долю, но и целое число циклов, фикси­руемых с момента вхождения в синхронизм с принимаемым сигналом. Одна­ко остается неизвестным целое число циклов N, которое было до ус­тановления связи. Неоднозначность фазовых измерений не устраняется. Дальности, определяемые по фазе несущей, для краткости будем назы­вать фазовыми (сатег phase range). В сущности, это псевдодальности. Одна­ко обычно термин псевдодальность применяют к кодовым измерениям. Фа­зовая дальность P отличается от геометрического расстояния R между при­емником и спутником на величины d и D, определяемые отличием шкал вре­мени соответственно на спутнике и в приемнике от шкалы системного вре­мени. Геометрическое расстояние В складывается из неизвестной постоянной части NX и измеряемой части dP, исправленной на величины d и D (на рисун­ке 1.8 исправленное значение dP обозначено как dP'). Поэтому имеем: P = R + d + D = NA + dP, (1.23) при этом dp = dp' + d + D dp' = R — NA (124) (125)      

Определения фазовых дальностей на комбинированных вол­нах. Использование обеих несущих волн L1 и L2 предоставляет дополни­тельные возможности в разрешении неоднозначности фазовых измерений и устранении влияний внешних факторов. Для каждой из этих волн можно за­писать; dp = R — N A+ S (1.26) dp = R — N2 Л2 + s2 (1.27) где s1 и s2 учитывают всевозможные искажения дальностей R. Построив линейную комбинацию odp /Л + Pdp /Л, получим: dp = R — N,A, + s,, (128) где комбинированные “измеренная” часть дальности, длина волны и неизвестное их число соответственно равны dp = (odp / Л + Pdp / Л2 )Л; (129)   (1.30) (1.31) Л = C(OfL1 +PfL2) ; N = (oN1 + PN2).

В таблице 1.3 указаны а и в для наиболее важных комбинаций волн. Таблица 1.3 Комбинированные длины волн в фазовых измерениях Волна Частота а в X, см Xi L2 1 1 19,0 X2 L1 0 1 24,4 Храз Разностная 1 -1 86,2 Хсум Суммарная 1 1 10,7 Хион Ионосферно-свободная 9 -7 5,4   Комбинированная длина волны Хион - ионосферно-свободная (ionosphere-free). Волна Храз сравнительно большой длины (wide lane - широ­кая полоса), образуется разностью частот L1 и L2 и иногда способствует раз­решению неоднозначности. Волна Хсум (narrow-lane - узкая полоса) составля­ется суммой частот L1 и L2. Расплатой за получаемые выгоды является то, что в комбинированных волнах, за исключением Хсум, возрастают шумы в приемниках. Новые возможности построения комбинированных волн и разрешения неоднозначности возникнут после введения частоты L5. Появятся дополни­тельные комбинации L1-L5 и L2-L5. Так волна, образованная из разности частот L2 и L5, будет иметь длину 5,861 м, что должно существенно обленить задачу разрешения неоднозначности фазовых измерений.

Разрешение неоднозначности фазовых измерений . Это одна из наи­более сложных задач. Наметим лишь в общих чертах пути решения этой про­блемы. Один из способов - совместная обработка фазовых и кодовых измере­ний. Для фазовых дальностей и кодовых псевдодальностей, с учетом их по­грешностей в и 8, можно записать: dP = R — N -Л + £, (1.32) P = R + 8. (1.33) Образовав их разность, получаем: N = (P - dP-8 + e)lk. (1.34) Результат вычисления округляется до целого. Погрешность округления должна быть <0,5. Следовательно, погрешность в разности длин должна быть менее полуволны X. Если для этого использовать разносные волны длиной 862 или 5,861 м, то погрешность в кодовых измерениях должна быть соот­ветственно <0,43 и <2,93 м. Другой распространенный способ - использование избыточных фазо­вых измерений. Все измерения обрабатываются по методу наименьших квад­ратов, а в число определяемых неизвестных параметров включается и числа неоднозначности N. Причем обработка ведется на разных комбинированных волнах. В случаях, когда позиционирование ведется в движении, вначале ка­ким-нибудь способом, например, по измерениям на пунктах с известными координатами, определяются числа неоднозначности N. Затем, продолжая измерения по тем же спутникам, непрерывно фиксируют приращения чисел N. обусловленные изменениями дальностей вследствие движений АП и КА. Важное значение имеет способ разрешения неоднозначности, основан­ный на переборе вариантов решений. Для этого, например, по кодовым изме­рениям определяются приближенные координаты точки местонахождения приемника. От этой точки в направлениях трех координатных осей отклады­ваются значения предельных погрешностей. В пространстве образуется куб. Куб делится на более мелкие кубики. Возможные решения лежат в вершинах этих кубиков. Перебором вариантов в этом пространстве находят наиболее подходящие числа неоднозначности N. Если точное решение лежит в кубе 3 9 10x10x10 м, то, проверяя его через каждый 1 см, получим 1001 « 10 вариан­тов. Поэтому переборы ведутся по определенной стратегии с тем, чтобы их число свести к минимуму.

Разработаны специальные функции, которые позволяют упростить и ускорить обработку упомянутых переборов. Фазовая дальность, выраженная в фазовых циклах, равна: р = (R — NA + s)/Л. (1.35) Образуем разность: o = p — R / Л = — N + s/ Л (1.36) Используя комплексные переменные (i2 = -1), получаем: cos2^o + isin2o = el2mo = ei2s 1Л * 1 (1.37) Результат следует из того факта, что целое число циклов 2nN никак не отражается на синусах и косинусах, а погрешности s полагаются малыми. Для измерений, выполненных по n спутникам и повторенных в m эпохах, можно записать:   Ssi 2n(p—R / Л) < nm (138)   n m При переборах ячеек куба для каждого случая вычисляются упомяну­тые суммы модулей. Правильным будет то решение, для которого сумма максимальна и наиболее близка к числу nm. На основе ускоренных решений разработан и получил широкое распро­странение практически очень важный так называемый способ разрешения неоднозначности “на лету” (On The Fly - OTF).