+7(904)3314610

Системы глобальной спутниковой навигации GPS, ГЛОНАСС и методы исследования атмосферы с применением спутниковых каналов связи

moveinfo.ru

баннер статьи

Дата:

Рассмотрены некоторые основные принципы построения систем глобальной спутниковой навигации (GPS, ГЛОНАСС) и применения высокостабильных сигналов навигационных систем для изучения атмосферы методами радиопросвечивания.

Развитие спутниковых методов изучения атмосферы

Запуск первого спутника Земли (ИСЗ) 4 октября 1957 года открыл космическую эпоху, появилась первая в мире спутниковая линия радиосвязи [1]. Первый спутник имел массу 83.6 кг и был выведен на орбиту с апогеем 974 км и перигеем 228 км. Два передатчика на борту спутника работали на частотах 19.986 МГц и 39.972 МГц, передавая тональные посылки длительностью 0.3 с и выполняя роль маяка для контроля за полётом спутника. При работе передатчиков спутника впервые экспериментально наблюдался эффект преломления радиоволн в атмосфере Земли, когда спутник заходил за горизонт видимости, а наземные станции связи продолжали некоторое время принимать сигнал. Возможность выхода в космическое пространство и вывода спутников на орбиту очень сильно повлияла на развитие радиосвязи.

По направлению передаваемого сообщения, для околоземной спутниковой связи, существует три вида: Земля–космос; космос–Земля; космос–космос. Более сложные маршруты можно сформировать из перечисленных.

Значительный прорыв в области спутникового изучения атмосферы планет Солнечной системы был сделан при исследовании Марса в 1965 г. и 1969 г. когда аппараты MARINER-4, 6 и 7 (США) пролетали мимо Марса [4]. Затменное радиопросвечивание атмосферы Марса позволили определить давление, температуру и электронную концентрацию в ионосфере Марса.

Венера активно изучалась при помощи российских аппаратов серии Венера, и американских MARINER-5, 10, при исследованиях так же в числе прочих применялись радиозатменные методы. Наиболее существенные данные были получены при помощи искусственных спутников Венеры (Венера-9, 10 (СССР)), в 1975 году удалось получить данные из пятидесяти районов планеты.

В ряде публикаций [5, 6] рассмотрена задача радиопросвечиванеия атмосферы и ионосферы Земли при помощи спутниковых пар, выведен ряд соотношений для измерения: доплеровского смещения частоты, фазы, амплитуды, угла рефракции с оценкой ожидаемых эффектов влияния атмосферы и ионосферы, с учётом распространения радиоволн по различным трассам:

  • спутники движутся по одной орбите с отставанием одного от другого;
  • сигналы низкоорбитального принимает геостационарный спутник;
  • низкоорбитальный спутник принимает сигналы высокоорбитального навигационного спутника.

Пробные эксперименты были произведены при помощи станции МИР и двух геостационарных спутников (Россия, 1990 г.), при исследованиях применялись передатчики повышенной мощности на частотах 936 МГц и 15 ГГц. В ходе работы было выяснено, что атмосфера и ионосфера Земли влияет на фазу, частоту и амплитуду радиоволн сложным образом и поэтому необходимы систематические исследования особенностей распространения радиоволн на радиозатменных трассах [7].

Опыт практических исследований показал, что для регулярного наблюдения атмосферы и ионосферы методом радиопросвечивания наиболее эффективно использовать много радиотрасс спутник–спутник и спутник-Земля с высокой стабильностью радиочастоты.

Система подобного рода была реализована в 1995 г. на базе спутника приёмника сигналов MICROLAB (США) и системы навигационных спутников, работающих на частотах 1.25 ГГц и 1.58 ГГц. Миссия MICROLAB работала вплоть до 1998 г. При работе миссии был получен значительный объём данных о высотных профилях температуры атмосферы T(h) и электронной концентрации в ионосфере Ne(h), произведено их сопоставление с данными наземных измерений и доказана высокая точность.

Следующий этап развития метода радиопросвечивания начался в 2001 г. и развивался в виде международной системы глобального радиомониторинга [7]. Далее этот проект включал несколько спутников (GRACE, COSMIC, LEO и др. с почти круговыми орбитами, наклоном 75°–85°, высотой 500–800 км.) способных принимать сигналы 24 навигационных спутников GPS (Global Positioning System, США) и осуществлять почти 5600 сеансов затменных измерений каждые сутки, в более чем 2000 районах [8].

Глобальные навигационные системы: ГЛОНАСС, GPS

Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС) должна состоять из 24 спутников (на август 2010 г. 23 спутника из них используется 21) вращающихся вокруг Земли в трёх плоскостях по близким к круговым орбитам с высотой 19100 км, периодом обращения 11 ч 15 мин 44 с и наклоном орбиты 64.8°. Плоскости орбит смещены друг относительно друга на угол 120° по долготе восходящего узла. В каждой орбитальной плоскости находится по 8 спутников со сдвигом по аргументу широты 45°, а спутники в соседних орбитальных плоскостях смещены друг относительно друга на 15°. При такой структуре распределения спутников в каждой точке поверхности Земли и околоземного пространства гарантировано радионаблюдение не менее четырёх спутников. Интересно, что в декабре 1995 года спутниковая группировка ГЛОНАСС была развернута до полного состава (24 спутника), но из-за ряда сложностей, в первую очередь организационно-финансовых проблем, к 2001 г. численность работающих спутников сократилась до шести штук. Планируется, в декабре 2010 года на орбите будет 24 космических аппарата, что позволит российской спутниковой системе ГЛОНАСС получить мировой охват [9].

Спутники ГЛОНАСС непрерывно излучают когерентные сигналы в двух диапазонах L1 и L2. Несущие частоты формируются когерентно из источника опорной частоты 5 МГц. Отношение несущих частот f2/f1=7/9. Навигационные сигналы, излучаемые спутниками ГОЛОНАСС, относятся к классу высокой и стандартной точности. Сигналы стандартной точности формируются модуляцией несущих f1, f2 с тактовой частотой 0.511 МГц. Сигналы высокой точности модулированы специальным кодом с тактовой частотой 5.11 МГц.

Global Positioning System (GPS) состоит из 24 действующих и нескольких резервных спутников. Спутники движутся по шести близким к круговым орбитам, наклонённым к плоскости экватора под углом 55°, угол между плоскостями орбит составляет 60°. Высота расположения спутниковых орбит 20180 км, период обращения около 11 ч. 58 мин. Распределение спутников обеспечивает видимость в каждой точке Земли не менее пяти спутников.

Спутники GPS непрерывно излучают сигналы в двух диапазонах L1 и L2. Несущие частоты для всех спутников одинаковы. Опорная частота из которой формируется несущая составляет f0=10.23 МГц. Несущая частота канала L1 составляет f1=154•f0=1575.42 МГц, для канала L2 f2=120•f0=1227.6 МГц. Отношение несущих частот f2/f1=60/77. Сигналы L1 и L2 когерентны и модулируются двумя псевдослучайными кодами: основным дальномерным P-кодом со скоростью передачи 10.23 Мбит/с и открытым кодом С/А со скоростью кодирования 1.023 Мбит/с.

Диаграммы направленности излучающих антенн спутников таковы, что с каждого спутника облучается практически равномерно вся земная полусфера. Мощность сигнала на выходе приемной линейно поляризованной антенны с коэффициентом усиления +3 дБ, расположенной на земной поверхности, составляет в канале L1 не менее –136 дБ•Вт при использовании P-кода, не менее –160 дБ•Вт; в канале L2 при работе с кодом С/А не менее –166 дБ•Вт. К 2014 г. запланировано переоснащение системы GPS новыми спутниками с увеличенной мощностью сигналов.

Основные характеристики ГЛОНАСС и GPS для наглядности сведены в таблицу 1.


Таблица 1. Некоторые характеристики навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS, по данным [7].
Характеристика ГЛОНАСС GPS
Число навигационных спутников 24 24
Число орбитальных плоскостей 3 6
Число спутников в каждой плоскости 8 4
Наклонение орбиты, град. 64.8 55
Высота орбиты, км 19130 20180
Период обращения, с 40544 43080
Несущая частота, МГц
L1 1598.0625—1604.25 1575.42
L2 7/9 L1 1227.6
Поляризация
Поляризация излучения круговая правостороняя
Код
Число элементов для С/А (стандартной точности) 511 1023
Число элементов для P (высокой точности) 511000 2,35•1014
Скорость кодирования С/А-код, Мбит/с 0.511 1.023
Скорость кодирования P-код, Мбит/с 5.11 10.23
Уровень внутрисистемных помех -48 -21.6

Исследование атмосферы с использованием сигналов глобальных навигационных спутниковых систем

Методы радиозатменного зондирования основаны на приёме и анализе характеристик высокоточных сигналов излучаемых спутниками глобальной навигационной системы GPS. Приемная станция может быть расположена на низкоорбитальном (500–800 км) спутнике или на поверхности Земли. В первом случае наиболее эффективно производить исследования ионосферы, во втором всей толщи атмосферы. При использовании в качестве приемника низкоорбитального спутника затмение обеспечивается разностью угловых скоростей движения по орбитам спутника-приёмника и спутника-передатчика. Системы спутников GPS-COSMIC позволяют обеспечить наблюдения таким образом, что длительность одного затменного измерения много меньше времени существенных изменений в ионосфере, при этом повторяемость измерений над каждым районом Земли не менее, чем это принято при метеорологических измерениях, т.е. около шести часов.

Обработка полученных данных методами решения обратной задачи моделирования состояния атмосферы и ионосферы позволяет определить высотные зависимости температуры T(h), концентрации электронов в ионосфере Ne(h) и содержания водяных паров в атмосфере. Результаты спутниковых измерений обычно сохраняют в виде данных трёх уровней. Данные первого уровня содержат подробную информацию об условиях измерений. Данные второго уровня, доступные в сети Интернет, содержаться сведенья: о дате и времени начала сеанса измерений, о порядковом номере сеанса измерений в текущие сутки, о номере спутника, о используемом приёмном канале, о временном интервале между отсчётами, о значениях отношения уровней сигнала к шуму в диапазонах L1 и L2, о координатах и векторных компонентах скорости навигационного и низкоорбитального спутников, о значениях фазового набега сигналов L1 и L2. Данные третьего уровня являются результатом обработки данных предыдущих уровней. В этих данных содержится следующая информация соответствующая определённой области зондирования: коэффициент преломления, плотность, давление, температура (для сухой атмосферы), угол рефракции радиоволн, значение геопотонциала, температура с учётом влажности, давление водяных паров, абсолютная и относительная влажность.

Совокупное объединение данных третьего уровня для различных областей позволяет получить глобальную модель атмосферы или ионосферы практически в режиме реального времени, что даёт возможность производить:

  • высокоточный метеорологический мониторинг распределения температуры, плотности и давления, распределения водных паров;
  • наблюдение распределения турбулентных потоков различной природы в атмосфере;
  • мониторинг состояния ионосферы;
  • наблюдение распределения геопотенциальных высот.

Дальнейшее использование полученных данных способствует более эффективным метеорологическим и климатическим исследованиям, изучению влияния солнечной активности и антропогенных факторов на состояние атмосферы, анализу связей сейсмической активности с состоянием ионосферы.

Совокупным результатом данных исследований является переход на качественно более высокий уровень понимания физических процессов изучаемых многими областями знаний.


  1. Хохлов В. А. Теоретические основы спутниковой связи. – Л.: ЛВВИУС, 1985 – 346 с.
  2. Nicks O. W., Review of the Mariner 4 results, Moon and Planets, 150-185, 1967.
  3. Sloan R. K., Mariner Mars 1964 project report, scientific experiments, JPL, Calif. Inst.Technol., TR 32-883, Pasadena, CA, July 1968.
  4. Kliore A., Fjeldbo G., Seidel B., Rasool S. Mariner 6 and 7: radio occultation measurements of the atmosphere of Mars. // Science. 1969. V. 166. № 3911. P. 1393.
  5. Гурвич А.С., Красильникова Т.Г. Об использовании навигационных спутников для радиопросвечивания атмосферы Земли. // Космические исследования. 1987. № 6. C. 89.
  6. Kliore A. Some remarks on meteorological measurements with occultation satellites. // Space Res. 1969. V. 9. P. 590.
  7. Яковлев О. И., Павельев А. Г., Матюгов С. С. Спутниковый мониторинг Земли. Радиозатменный мониторинг атмосферы и ионосферы. – М.: Книжный дом "ЛИБРОКОМ", 2010. – 208 с.
  8. Atmospheric and Oceanic Science. Special issue of Terrestrial. 2000. V. 11. march.
  9. Новости ГЛОНАСС 25.08.2010. Федеральное космическое агенство, официальный сайт.
  10. Mannucci A. J., Iijima B. A., Lindqwister U. J., Pi X., Sparks L., Wilson B. D. GPS and Ionosphere Revised Submission to URSI Reviews of Radio Science. March 1999 edition. Jet Propulsion Laboratory, PasadenCA January 7,1999.
  11. George A. Hajj1, Lou C. Lee, Xiaoqing Pi1, Larry J. Romans1, William S. Schreiner, Paul R. Straus, Chunming Wang. COSMIC GPS Ionospheric Sensing and Space Weather. TAO, Vol. 11, No. 1, P. 235-272, March 2000.