В.П. Пашинцев1, В.А. Цимбал2, М.В. Песков3, В.Е. Тоискин4

1,3 Северо-Кавказский федеральный университет (г. Ставрополь, Россия)

2,4 Филиал Военной академии Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого (г. Серпухов, Россия)

1 pashintsevp@mail.ru; 2 tsimbalva@mail.ru; 3 mvpeskov@hotmail.com; 4 vetoiskin@mail.ru

Постановка проблемы. Распространение радиоволн в спутниковых системах в условиях образования в ионосфере Земли интенсивных мелкомасштабных неоднородностей сопровождается возникновением ионосферных мерцаний (замираний, сцинтилляций) принимаемых сигналов, которые могут приводить к существенному снижению помехоустойчивости систем спутниковой связи (ССС). В настоящее время методы GPS-мониторинга активно применяются при измерении характеристик крупномасштабных неоднородностей ионосферы. Однако они не позволяют произвести измерения мелкомасштабных неоднородностей, порождающих ионосферные мерцания. Следовательно, на сегодняшний день разработка метода GPS-мониторинга мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания (ПЭС) ионосферы является актуальной задачей.

Цель. Предложить метод GPS-мониторинга мелкомасштабных флуктуаций ПЭС ионосферы и показать возможность его использования для прогноза изменения помехоустойчивости ССС при возмущениях ионосферы.

Результаты. Представлена модификация программного обеспечения приемника GPStation-6 глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) путем замены кодовых измерений ПЭС ионосферы на комбинированные (кодово-фазовые) измерения и последующего выделения мелкомасштабных флуктуаций ПЭС цифровым фильтром. На основе анализа минимального периода флуктуаций ПЭС ионосферы определены требуемые характеристики цифрового фильтра для измерения мелкомасштабных неоднородностей. Установлено, что таким требованиям удовлетворяет цифровой фильтр Баттерворта 6-го порядка, для которого рассчитаны соответствующие коэффициенты. Предложена структура построения модифицированного приемника GPStation-6 для оценки помехоустойчивости при приеме сигналов ССС.

Практическая значимость. С использованием действующего макета модифицированного двухчастотного приемника GPStation-6 получены реальные результаты оценки мелкомасштабных флуктуаций ПЭС на выходе цифрового фильтра, их среднеквадратического отклонения, индекса ионосферных мерцаний и вероятности ошибки при приеме сигналов в типовой ССС. Анализ полученных данных для прогнозирования помехоустойчивости ССС показал, что в условиях невозмущенной среднеширотной ионосферы вероятность ошибочного приема может превысить допустимое значение в течение 30 с.

Пашинцев В.П., Цимбал В.А., Песков М.В., Тоискин В.Е. Метод GPS-мониторинга мелкомасштабных неоднородностей ионосферы и его применение для прогноза помехоустойчивости систем спутниковой связи // Радиотехника. 2023. Т. 87. № 9. С. 131-146. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202310-14

1. Гундзе Е., Чжаохань Лю. Мерцания радиоволн в ионосфере // ТИИЭР. 1982. Т. 70. № 4. С. 5-45.
2. Крейн Р.К. Мерцания радиоволн в ионосфере // ТИИЭР. 1977. Т. 65. № 2. С. 5-29.
3. Ааронс Дж. Глобальная морфология ионосферных мерцаний // ТИИЭР. 1982. Т. 70. № 4. С. 45-66.
4. Девис К. Радиоволны в ионосфере. М.: Мир. 1973. 502 с.
5. Маслов О.Н., Пашинцев В.П. Модели трансионосферных радиоканалов и помехоустойчивость систем космической связи // Приложение к журналу «Инфокоммуникационные технологии». Вып. 4. Самара: ПГАТИ. 2006. 357 с.
6. Pashintsev V.P., Peskov M.V., Kalmykov I.A., Zhuk A.P., Toiskin V.E. Method for forecasting of interference immunity of low frequency satellite communication systems // AD ALTA-Journal of interdisciplinary research. 2020. V. 10. № 1. P. 367-375.
7. Пашинцев В.П, Сапожников А.Д., Вититлов Л.Л. Аналитическая методика оценки влияния ионосферы на помехо-устойчивость систем космической связи // Радиотехника. 1991. № 11. С. 80-83.
8. Рыжкина Т.Е., Федорова Л.В. Исследование статических и спектральных трансатмосферных радиосигналов УКВ-СВЧ-диапазона // Журнал радиоэлектроники. 2001. № 2. C. 16.
9. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск: ГУ НЦ ВСНЦ СО РАМН. 2006. 480 с.
10. Перевалова Н.П. Оценка характеристик наземной сети приемников GPS/ГЛОНАСС, предназначенной для мониторинга ионосферных возмущений естественного и техногенного происхождения // Солнечно-земная физика. 2011. № 19. С. 124-133.
11. Афраймович Э. Л., Караченцев В.А. Исследование интерференционных эффектов при приеме сигналов навигационной системы GPS // Радиотехника. 2004. № 8. С. 31-35.
12. Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику. Ч. 2. Случайные поля. М.: Наука. 1978. 463 с.
13. Цимбал В.А., Песков М.В., Чипига А. Ф., Пашинцев В.П. Повышение точности прогнозирования помехоустойчивости систем спутниковой радиосвязи по данным мониторинга индекса ионосферных мерцаний // Сб. трудов 23-й Междунар. науч.-технич. конф. «Радиолокация, навигация, связь». В 2-х томах. Т. 2. Воронеж: Изд-во «Научно-исследовательские публикации» (ООО «ВЭЛБОРН»). С. 575-582.
14. Shanmugam S., Jones J., MacAulay A., Van Dierendonck A.J. Evolution to Modernized GNSS Ionoshperic Scintillation and TEC Monitoring // Proceedings of IEEE/ION PLANS. 2012. Р. 265-273.
15. GPStation-6. GNSS Ionospheric Scintillation and TEC Monitor (GISTM) Receiver User Manual. 2012. Source: https://hexagondownloads.blob.core.windows.net/public/Novatel/assets/Documents/Manuals/om-20000132/om-20000132.pdf.
16. Carrano C., Groves K. The GPS Segment of the AFRL-SCINDA Global Network and the Challenges of Real-Time TEC Estimation in the Equatorial Ionosphere // Proceedings of ION NTM. 2006. Р. 1036-1047.
17. Пашинцев В.П., Песков М.В., Парфентьев А.А., Лягин М.А. Методика определения статистических характеристик мелко-масштабных флуктуаций полного электронного содержания ионосферы // Сб. докладов Междунар. конф. «Радио-электронные устройства и системы для инфокоммуникационных технологий» (РЭУС-2018). Сер. Научные конференции, посвящ. Дню Радио. Вып. LXXIII. М.: ООО «Брис-М». С. 29-33.
18. Пашинцев В.П., Песков М.В., Смирнов В.М., Смирнова Н.В., Тынянкин С.И. Методика выделения мелкомасштабных вариаций полного электронного содержания ионосферы по данным трансионосферного зондирования // Радиотехника и электроника. 2017. Т. 62. № 12. С. 1182-1189.
19. OEM6. Firmware Reference Guide. 2014. Source: https://hexagondownloads.blob.core.windows.net/public/Novatel/assets/Documents/Ma-nuals/om-20000129/om-20000129.pdf.
20. Введение в цифровую фильтрацию / Под ред. Р. Богнера и А. Константинидиса. М: Мир. 1976. 216 с.
21. Filter Designer. The MathWorks, Inc. Source: https://www.mathworks.com/help/signal/ref/filterdesigner-app.html.
22. Пашинцев В.П., Ахмадеев Р.Р. Прогнозирование помехоустойчивости систем спутниковой связи и навигации по данным GPS-мониторинга ионосферы // Электросвязь. 2015. № 11. С. 58-65.