Построение комбинированной системы мониторинга ПЭС ...
Построение комбинированной системы мониторинга ПЭС ...
Построение комбинированной системы мониторинга ПЭС ...
- TAGS
- nequick
- stec
- tecu
- vtec
- www.iki.rssi.ru
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>Построение</strong> <strong>комбинированной</strong><br />
<strong>системы</strong> <strong>мониторинга</strong> <strong>ПЭС</strong><br />
ионосферы<br />
над территорией России<br />
по данным радиопросвечивания<br />
сигналами навигационных систем<br />
и аналитической модели NeQuick<br />
А. В. Новиков, А. А. Романов, А. А. Романов<br />
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ<br />
УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ<br />
«РОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ<br />
ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ»<br />
МОСКОВСКИЙ<br />
ФИЗИКО – ТЕХНИЧЕСКИЙ<br />
ИНСТИТУТ
Ионосфера как среда распространения волн<br />
микроволнового диапазона<br />
Ионосфера<br />
Тропосфера<br />
Постановка<br />
задачи<br />
Ионосфера<br />
Определение <strong>ПЭС</strong><br />
Связь <strong>ПЭС</strong> и<br />
коэффициента<br />
преломления<br />
Мониторинг <strong>ПЭС</strong><br />
ГНСС<br />
Структура сигнала<br />
Код и фаза<br />
Принцип<br />
просвечивания<br />
Сглаживание кодовых<br />
измерений<br />
фазовыми<br />
Томография<br />
Адаптивная<br />
модель<br />
ионосферы<br />
Некоторые<br />
результаты<br />
Выводы<br />
© ФГУП «РНИИ КП» Московский Физико – Технический Институт 2
Полное электронное содержание ионосферы<br />
Электроны в<br />
наклонном столбе<br />
единичного<br />
сечения - STEC<br />
Направление<br />
на приёмник<br />
Нормаль к<br />
слою<br />
ионосферы<br />
Точка<br />
прокола<br />
TECU = 10 16 м -3<br />
Направление<br />
на спутник<br />
Ионосфера<br />
Электроны в<br />
вертикальном<br />
столбе единичного<br />
сечения - VTEC<br />
Постановка<br />
задачи<br />
Ионосфера<br />
Определение <strong>ПЭС</strong><br />
Связь <strong>ПЭС</strong> и<br />
коэффициента<br />
преломления<br />
Мониторинг <strong>ПЭС</strong><br />
ГНСС<br />
Структура сигнала<br />
Код и фаза<br />
Принцип<br />
просвечивания<br />
Сглаживание кодовых<br />
измерений<br />
фазовыми<br />
Томография<br />
Адаптивная<br />
модель<br />
ионосферы<br />
Некоторые<br />
результаты<br />
Выводы<br />
© ФГУП «РНИИ КП» Московский Физико – Технический Институт 3
Связь <strong>ПЭС</strong> и коэффициента преломления<br />
Постановка<br />
задачи<br />
Ионосфера<br />
Определение <strong>ПЭС</strong><br />
Связь <strong>ПЭС</strong> и<br />
коэффициента<br />
преломления<br />
Мониторинг <strong>ПЭС</strong><br />
ГНСС<br />
Структура сигнала<br />
Код и фаза<br />
Принцип<br />
просвечивания<br />
Сглаживание кодовых<br />
измерений<br />
фазовыми<br />
Томография<br />
Адаптивная<br />
модель<br />
ионосферы<br />
Некоторые<br />
результаты<br />
Выводы<br />
© ФГУП «РНИИ КП» Московский Физико – Технический Институт 4
Мониторинг <strong>ПЭС</strong> ионосферы<br />
Ионозонды<br />
Крупные<br />
населённые<br />
пункты<br />
Постановка<br />
задачи<br />
Ионосфера<br />
Определение <strong>ПЭС</strong><br />
Связь <strong>ПЭС</strong> и<br />
коэффициента<br />
преломления<br />
Мониторинг <strong>ПЭС</strong><br />
ГНСС<br />
Структура сигнала<br />
Код и фаза<br />
Принцип<br />
просвечивания<br />
Сглаживание кодовых<br />
измерений<br />
фазовыми<br />
Томография<br />
Международная сеть IGS<br />
Адаптивная<br />
модель<br />
ионосферы<br />
Некоторые<br />
результаты<br />
Выводы<br />
© ФГУП «РНИИ КП» Московский Физико – Технический Институт 5
Характеристики современных глобальных<br />
навигационных спутниковых систем<br />
Высота орбиты<br />
19100 км 20000 км<br />
Наклонение орбиты<br />
64,8° 55°<br />
Номинальная численность группировки<br />
24 24<br />
Число плоскостей<br />
3 6<br />
Распределение спутников в плоскости<br />
равномерное неравномерное<br />
Период обращения КА<br />
11 ч 15 мин ½ астрономических суток<br />
Постановка<br />
задачи<br />
Ионосфера<br />
Определение <strong>ПЭС</strong><br />
Связь <strong>ПЭС</strong> и<br />
коэффициента<br />
преломления<br />
Мониторинг <strong>ПЭС</strong><br />
ГНСС<br />
Структура сигнала<br />
Код и фаза<br />
Принцип<br />
просвечивания<br />
Сглаживание кодовых<br />
измерений<br />
фазовыми<br />
Томография<br />
Адаптивная<br />
модель<br />
ионосферы<br />
Некоторые<br />
результаты<br />
Выводы<br />
© ФГУП «РНИИ КП» Московский Физико – Технический Институт 6
Структура навигационного сигнала<br />
Несущая L1<br />
Псевдослучайная последовательность<br />
кода стандартной точности<br />
Информационное сообщение<br />
Псевдослучайная последовательность<br />
кода высокой точности<br />
Несущая L2<br />
Сигнал L1<br />
Сигнал L2<br />
Постановка<br />
задачи<br />
Ионосфера<br />
Определение <strong>ПЭС</strong><br />
Связь <strong>ПЭС</strong> и<br />
коэффициента<br />
преломления<br />
Мониторинг <strong>ПЭС</strong><br />
ГНСС<br />
Структура сигнала<br />
Код и фаза<br />
Принцип<br />
просвечивания<br />
Сглаживание кодовых<br />
измерений<br />
фазовыми<br />
Томография<br />
Адаптивная<br />
модель<br />
ионосферы<br />
Некоторые<br />
результаты<br />
Перемножитель Сумматор по модулю 2<br />
Выводы<br />
© ФГУП «РНИИ КП» Московский Физико – Технический Институт 7
Измерения псевдодальностей по коду и фазе<br />
Обозначим:<br />
Постановка<br />
задачи<br />
Ионосфера<br />
Определение <strong>ПЭС</strong><br />
Связь <strong>ПЭС</strong> и<br />
коэффициента<br />
преломления<br />
Мониторинг <strong>ПЭС</strong><br />
ГНСС<br />
Структура сигнала<br />
Код и фаза<br />
Принцип<br />
просвечивания<br />
Сглаживание кодовых<br />
измерений<br />
фазовыми<br />
Томография<br />
Адаптивная<br />
модель<br />
ионосферы<br />
Некоторые<br />
результаты<br />
Выводы<br />
© ФГУП «РНИИ КП» Московский Физико – Технический Институт 8
Принцип радиопросвечивания ионосферы<br />
двухчастотным сигналом глобальных навигационных<br />
систем<br />
Постановка<br />
задачи<br />
Ионосфера<br />
Определение <strong>ПЭС</strong><br />
Связь <strong>ПЭС</strong> и<br />
коэффициента<br />
преломления<br />
Мониторинг <strong>ПЭС</strong><br />
ГНСС<br />
Структура сигнала<br />
Код и фаза<br />
Принцип<br />
просвечивания<br />
Сглаживание кодовых<br />
измерений<br />
фазовыми<br />
Томография<br />
Адаптивная<br />
модель<br />
ионосферы<br />
Некоторые<br />
результаты<br />
Выводы<br />
© ФГУП «РНИИ КП» Московский Физико – Технический Институт 9
Сглаживание кодовых измерений фазовыми<br />
Постановка<br />
задачи<br />
Ионосфера<br />
Определение <strong>ПЭС</strong><br />
Связь <strong>ПЭС</strong> и<br />
коэффициента<br />
преломления<br />
Мониторинг <strong>ПЭС</strong><br />
ГНСС<br />
Структура сигнала<br />
Код и фаза<br />
Принцип<br />
просвечивания<br />
Сглаживание кодовых<br />
измерений<br />
фазовыми<br />
Томография<br />
Адаптивная<br />
модель<br />
ионосферы<br />
Некоторые<br />
результаты<br />
Выводы<br />
© ФГУП «РНИИ КП» Московский Физико – Технический Институт 10
Томография ионосферы<br />
φn<br />
…<br />
φ2<br />
φ1 φ0<br />
τi<br />
I<br />
β<br />
∆h<br />
∆τ<br />
L<br />
Основные соотношения:<br />
Постановка<br />
задачи<br />
∫<br />
ϕ= I = λr<br />
e<br />
N( h,<br />
τ)<br />
dh<br />
h<br />
0<br />
F(<br />
h,<br />
τ)(<br />
R+<br />
h)<br />
I(<br />
β,<br />
τi)<br />
= ∫ 2 2<br />
R sin β+<br />
2Rh<br />
+ h<br />
0<br />
Решение обратной задачи<br />
Формирование <strong>системы</strong><br />
линейных алгебраических<br />
уравнений<br />
f<br />
D<br />
∆I<br />
= J<br />
J<br />
k+<br />
1<br />
∆β<br />
A<br />
JMF<br />
M<br />
= DJ<br />
,<br />
A<br />
∆L<br />
= M<br />
JM<br />
Итерационный метод<br />
решения <strong>системы</strong><br />
уравнений ART<br />
= f<br />
k<br />
∆β<br />
i k<br />
di<br />
−< a,<br />
f > i<br />
+ a<br />
i i<br />
< a,<br />
a ><br />
2<br />
Постановка<br />
задачи<br />
Ионосфера<br />
Определение <strong>ПЭС</strong><br />
Связь <strong>ПЭС</strong> и<br />
коэффициента<br />
преломления<br />
Мониторинг <strong>ПЭС</strong><br />
ГНСС<br />
Структура сигнала<br />
Код и фаза<br />
Принцип<br />
просвечивания<br />
Сглаживание кодовых<br />
измерений<br />
фазовыми<br />
Томография<br />
Адаптивная<br />
модель<br />
ионосферы<br />
Некоторые<br />
результаты<br />
Выводы<br />
© ФГУП «РНИИ КП» Московский Физико – Технический Институт 11
Модель бесконечнотонкого слоя<br />
Навигационный спутник<br />
Бесконечнотонкий ионосферный слой<br />
Точка прокалывания<br />
Приёмник<br />
Подионосферная точка<br />
Простейшая проекционная функция:<br />
Постановка<br />
задачи<br />
Адаптивная<br />
модель<br />
ионосферы<br />
Модель<br />
бесконечнотонкого<br />
слоя<br />
Простейшая модель<br />
Входные параметры<br />
Солнечно-магнитные<br />
координаты<br />
Корректируемая<br />
модель<br />
Некоторые<br />
результаты<br />
Выводы<br />
© ФГУП «РНИИ КП» Московский Физико – Технический Институт 12
Простейшая объёмная модель ионосферы<br />
Темп ионизации<br />
Концентрация электронов<br />
Постановка<br />
задачи<br />
Адаптивная<br />
модель<br />
ионосферы<br />
Модель<br />
бесконечнотонкого<br />
слоя<br />
Простейшая модель<br />
Входные параметры<br />
Солнечно-магнитные<br />
координаты<br />
Корректируемая<br />
модель<br />
<strong>ПЭС</strong><br />
Некоторые<br />
результаты<br />
Выводы<br />
Местное время<br />
© ФГУП «РНИИ КП» Московский Физико – Технический Институт 13
Входные параметры объёмной<br />
полуэмпирической модели ионосферы<br />
Солнечная активность<br />
Постановка<br />
задачи<br />
Дата<br />
Местное время<br />
Адаптивная<br />
модель<br />
ионосферы<br />
Модель<br />
бесконечнотонкого<br />
слоя<br />
Простейшая модель<br />
Входные параметры<br />
Солнечно-магнитные<br />
координаты<br />
Корректируемая<br />
модель<br />
Некоторые<br />
результаты<br />
Выводы<br />
Данные многолетних наблюдений<br />
классическими методами<br />
© ФГУП «РНИИ КП» Московский Физико – Технический Институт 14
Солнечная долгота и число Ровера<br />
Постановка<br />
задачи<br />
Адаптивная<br />
модель<br />
ионосферы<br />
Модель<br />
бесконечнотонкого<br />
слоя<br />
Простейшая модель<br />
Входные параметры<br />
Солнечно-магнитные<br />
координаты<br />
Корректируемая<br />
модель<br />
Некоторые<br />
результаты<br />
Выводы<br />
© ФГУП «РНИИ КП» Московский Физико – Технический Институт 15
Система <strong>мониторинга</strong> ионосферы, основанная<br />
на корректируемой модели NeQuick<br />
Распределение уровня<br />
ионизации ионосферы<br />
Постановка<br />
задачи<br />
Определение <strong>ПЭС</strong> по<br />
данным<br />
радиопросвечивания<br />
сигналами<br />
ГЛОНАСС/GPS и<br />
низкоорбитальных<br />
ИСЗ<br />
Адаптивная<br />
модель<br />
ионосферы<br />
Модель<br />
бесконечнотонкого<br />
слоя<br />
Простейшая модель<br />
Входные параметры<br />
Солнечно-магнитные<br />
координаты<br />
Корректируемая<br />
модель<br />
Некоторые<br />
результаты<br />
Выводы<br />
Вычисление <strong>ПЭС</strong> с помощью модели NeQuick<br />
© ФГУП «РНИИ КП» Московский Физико – Технический Институт 16
Точность решения навигационной задачи как<br />
мера адекватности модели ионосферы<br />
Вид распределения невязок в плане<br />
1<br />
0.01<br />
Порог<br />
Критерии оценки:<br />
• Невязка среднего и истинной позиции<br />
• Пороговое значение<br />
Постановка<br />
задачи<br />
Адаптивная<br />
модель<br />
ионосферы<br />
Некоторые<br />
результаты<br />
Критерии оценки<br />
Невязка<br />
Пороговые значения<br />
Удалённая коррекция<br />
Выводы<br />
Вид распределения невязок в объёме<br />
* Статистика за сутки по станции Иркутск на 1.08.2006<br />
© ФГУП «РНИИ КП» Московский Физико – Технический Институт 17
Невязка средних и истинных координат<br />
Дата<br />
Модель<br />
Иркутск<br />
Новосибирск<br />
Норильск<br />
Кисловодск<br />
Геомагнитная<br />
обстановка<br />
Постановка<br />
задачи<br />
1.08.2006<br />
7.08.2006<br />
нет<br />
Клобушар<br />
Мод.<br />
NeQuick<br />
нет<br />
Клобушар<br />
Мод.<br />
NeQuick<br />
нет<br />
17.5564<br />
15.9305<br />
14.4833<br />
16.0389<br />
14.5412<br />
12.7553<br />
18.6045<br />
16.874<br />
15.687<br />
18.6906<br />
17.2477<br />
15.0352<br />
18.4587<br />
19.0788<br />
17.1949<br />
16.5644<br />
16.926<br />
15.1445<br />
14.6502<br />
22.3527<br />
15.855<br />
14.0427<br />
13.1064<br />
17.2647<br />
15.8864<br />
13.3114<br />
15.3542<br />
Незначительное<br />
волнение<br />
Буря<br />
Адаптивная<br />
модель<br />
ионосферы<br />
Некоторые<br />
результаты<br />
Критерии оценки<br />
Невязка<br />
Пороговые значения<br />
13.08.2006<br />
Клобушар<br />
17.1843<br />
21.6584<br />
13.6932<br />
Спокойно<br />
Удалённая коррекция<br />
Мод.<br />
NeQuick<br />
нет<br />
15.6499<br />
16.7515<br />
19.6232<br />
12.3919<br />
16.8323<br />
Выводы<br />
19.08.2006<br />
Клобушар<br />
Мод.<br />
NeQuick<br />
15.4495<br />
13.8846<br />
15.1181<br />
13.598<br />
Резкое<br />
изменение<br />
Модель Клобушара устраняет ~ 10 % невязки; адаптивная модель > 15 %<br />
© ФГУП «РНИИ КП» Московский Физико – Технический Институт 18
Пороговые значения<br />
Дата<br />
1.08.2006<br />
7.08.2006<br />
13.08.2006<br />
19.08.2006<br />
Модель<br />
нет<br />
Клобушар<br />
Мод.<br />
NeQuick<br />
нет<br />
Клобушар<br />
Мод.<br />
NeQuick<br />
нет<br />
Клобушар<br />
Мод.<br />
NeQuick<br />
нет<br />
Клобушар<br />
Мод.<br />
NeQuick<br />
Иркутск<br />
31.9826<br />
29.2401<br />
26.1173<br />
28.3467<br />
27.7193<br />
23.7328<br />
Новосибирск<br />
31.3524<br />
30.7563<br />
26.2497<br />
31.2315<br />
29.9365<br />
25.5918<br />
30.1962<br />
29.3214<br />
27.2151<br />
26.5383<br />
26.5383<br />
23.6096<br />
Норильск<br />
34.1559<br />
33.2143<br />
30.7879<br />
32.2877<br />
32.2877<br />
28.7142<br />
38.4883<br />
35.7764<br />
35.1345<br />
Кисловодск<br />
29.5715<br />
28.8919<br />
26.5834<br />
30.5251<br />
29.6233<br />
27.0015<br />
28.6181<br />
27.7718<br />
25.6745<br />
29.6882<br />
28.2051<br />
27.2055<br />
Адаптивная модель превосходит модель Клобушара,<br />
смещая пороговое значение к нулю не менее чем на 10%<br />
Геомагнитная<br />
обстановка<br />
Незначительное<br />
волнение<br />
Спокойно<br />
Резкое<br />
изменение<br />
Постановка<br />
задачи<br />
Адаптивная<br />
модель<br />
ионосферы<br />
Некоторые<br />
результаты<br />
Критерии оценки<br />
© ФГУП «РНИИ КП» Московский Физико – Технический Институт 19<br />
Буря<br />
Невязка<br />
Пороговые значения<br />
Удалённая коррекция<br />
Выводы
Пороговые значения, удаленная коррекция<br />
Дата<br />
Модель<br />
нет<br />
Новосибирск<br />
31.3524<br />
Кисловодск<br />
29.5715<br />
Геомагнитная<br />
обстановка<br />
Постановка<br />
задачи<br />
1.08.2006<br />
Клобушар<br />
Мод.<br />
NeQuick<br />
30.7563<br />
27.5716<br />
28.8919<br />
26.3168<br />
Незначительное<br />
волнение<br />
Адаптивная<br />
модель<br />
ионосферы<br />
7.08.2006<br />
13.08.2006<br />
нет<br />
Клобушар<br />
Мод.<br />
NeQuick<br />
нет<br />
Клобушар<br />
Мод.<br />
NeQuick<br />
31.4086<br />
30.1544<br />
26.0558<br />
30.6543<br />
29.3448<br />
27.5953<br />
31.1018<br />
30.6139<br />
26.0706<br />
30.4162<br />
28.7138<br />
26.9458<br />
Буря<br />
Спокойно<br />
Некоторые<br />
результаты<br />
Критерии оценки<br />
Невязка<br />
Пороговые значения<br />
Удалённая коррекция<br />
19.08.2006<br />
нет<br />
Клобушар<br />
Мод.<br />
NeQuick<br />
30.0822<br />
28.9353<br />
26.0814<br />
28.11<br />
26.4746<br />
25.129<br />
Резкое<br />
изменение<br />
Выводы<br />
Адаптивная модель при использовании данных удаленной станции, с близким числом Ровера,<br />
уступает той же модели, использующей местные данные, однако, значительно превосходит<br />
модель Клобушара<br />
© ФГУП «РНИИ КП» Московский Физико – Технический Институт 20
Концепция построения гибкой <strong>системы</strong><br />
<strong>мониторинга</strong> <strong>ПЭС</strong> ионосферы<br />
Постановка<br />
задачи<br />
+ Разработана и реализована методика<br />
определения межчастотных сдвигов на КА и ККС.<br />
+ Создана адаптивная модель ионосферы на базе<br />
модели NeQuick<br />
+ Предложены критерии оценки адекватности<br />
ионосферных моделей, не требующие<br />
дополнительных источников данных<br />
+ Показана целесообразность использования<br />
созданной модели для ионосферной коррекции в<br />
создаваемой системе функциональных<br />
дополнений ГЛОНАСС<br />
Адаптивная<br />
модель<br />
ионосферы<br />
Некоторые<br />
результаты<br />
Выводы<br />
© ФГУП «РНИИ КП» Московский Физико – Технический Институт 21
Разностные методы <strong>мониторинга</strong><br />
приёмник<br />
точка прокалывания<br />
подионосферная точка<br />
+ Тройные разности<br />
исключают фазовые<br />
неоднозначности и<br />
систематические ошибки<br />
Постановка<br />
задачи<br />
ККС i<br />
КА k<br />
ККС j<br />
КА l<br />
Возможно определение<br />
только относительного<br />
<strong>ПЭС</strong><br />
Необходимо разложение<br />
по каким-либо базисным<br />
функциям и хорошее<br />
первое приближение<br />
Адаптивная<br />
модель<br />
ионосферы<br />
Некоторые<br />
результаты<br />
Выводы<br />
© ФГУП «РНИИ КП» Московский Физико – Технический Институт 22
Change language