Одночастотные навигационные приемники смогли в 10 раз точнее определять количество электронов в ионосфере
12 ноября 2024 г.
Ученые определили, что способ кодирования радиосигналов AltBOC, с недавних пор используемый в европейской системе навигации Galileo и китайской BeiDou, позволяет в 10 раз точнее, чем раньше, определять концентрацию электронов в ионосфере Земли при использовании одночастотных навигационных приемников. Результаты опубликованы в Sensors.
Наблюдения за ионосферой важны, поскольку содержащиеся в ней заряженные частицы влияют на качество работы спутниковых радиосистем. Таким образом, кодирование AltBOC может использоваться и для совершенствования отечественной системы ГЛОНАСС в задачах мониторинга ионосферы. Исследование проведено при поддержке РНФ.
При прохождении через ионосферу радиоволны, преломляясь, отклоняются от изначального прямолинейного распространения. Это вызывает дополнительные задержки распространения навигационных сигналов и может привести к ухудшению работы систем навигации. При этом концентрация заряженных частиц в ионосфере непостоянна – она зависит от множества факторов и может существенно меняться ото дня ко дню.
Чтобы учесть влияние ионосферы на работу навигационных спутниковых систем, нужно постоянно отслеживать изменения, которые в ней происходят. Для этого обычно используются устройства, способные принимать сигналы навигационных систем на двух или более частотах. Такие приемники дороги и требуют дополнительных методов учета межканальных задержек навигационных сигналов не только в своих приемных системах, но и в передающих системах навигационных спутников.
Ученые ищут дополнительные способы наблюдать за ионосферой с помощью сигналов только на одной частоте. Одночастотные методы наблюдения за ионосферой применяются, например, в системах навигации GPS, ГЛОНАСС, Galileo и BeiDou, но обычно они недостаточно точны по сравнению с двухчастотными. Однако недавно европейская система Galileo и китайская BeiDou стали использовать новый способ кодирования радиосигналов, называемый AltBOC, который положительно отразился на одночастотных измерениях.
Ученые из Института солнечно-земной физики СО РАН и Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова сравнили качество одночастотных наблюдений за ионосферой с использованием нового способа кодирования сигналов AltBOC и с использованием традиционных методов кодирования BPSK и QPSK, которые ранее применялись в навигационных системах Galileo и BeiDou и до сих пор используются в GPS и ГЛОНАСС.
«Изначально радиоволна представляет собой обычную синусоиду, которая не несет информацию. Чтобы закодировать с ее помощью данные, надо определенным образом изменить какие-то параметры волны, например, амплитуду, частоту или фазу. И в разных навигационных системах используются разные способы кодирования. Поэтому свойства получаемых сигналов отличаются, и необходимо найти такие, которые будут оптимальны для одночастотных ионосферных измерений», – рассказывает руководитель проекта Юрий Ясюкевич, доктор физико-математических наук, заместитель директора по научно-исследовательской работе ИСЗФ СО РАН.
Авторы использовали данные высокоточных приемников, принимающих сигналы различных глобальных навигационных спутниковых систем, в том числе GPS, ГЛОНАСС, Galileo и BeiDou. Ученые выбрали наиболее современные приемники с максимальным набором функций для измерения характеристик сигналов. Разные комбинации дальномерных и фазовых измерений позволяют оценить полное электронное содержание – число электронов вдоль линии спутник-приемник. На основе этих данных исследователи моделировали различные ситуации: например, что будет, если регистрировать сигналы с разными характеристиками. В результате оценивалось соотношение уровней сигнала и шума, а также качество ионосферных измерений для стандартных систем кодирования и новых AltBOC.
Исследование показало, что одночастотные методы оценки концентрации электронов в ионосфере с использованием кодировки AltBOC позволяют получать такое же качество данных, как при многочастотных измерениях. При этом традиционно используемые схемы кодирования BPSK и QPSK в одночастотном режиме дают на порядок худшие результаты из-за высокого уровня шумов измерений дальности. Такое значительное улучшение качества мониторинга ионосферы при использовании кодировки AltBOC связано с тем, что она позволяет значительно уменьшить уровень шумов при измерениях дальности за счет большей ширины полосы сигнала. Полученные результаты показывают, что метод кодирования AltBOC может быть полезен и для отечественной навигационной системы ГЛОНАСС.
«В дальнейшем нам предстоит исследовать, есть ли у новой системы кодирования недостатки при каких-то определенных условиях, иными словами, когда лучше использовать старые типы кодирования. Это важно понять, поскольку основная задача ГЛОНАСС – обеспечение точной навигации, на которую сложным образом влияет и способ кодирования, и условия измерения, например, городская застройка», – подводит итог Артем Падохин, кандидат физико-математических наук, доцент МГУ им. М. В. Ломоносова.
Источник: РНФ.
Метки: ИСЗФ СО РАН