5.3. УЧЕТ УСЛОВИЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН В СРНС

Рекомендуемые диапазоны частот. Все связи между приземными потребителями и НИСЗ осуществляются через атмосферу Земли, включая тропосферу и ионосферу. Атмосфера имеет ярко выраженную частотную избирательность [44, 45, 12], вследствие чего не все частоты могут свободно проходить через нее. Из всего спектра электромагнитных колебаний свободно проходят через атмосферу колебания, занимающие диапазон между ионосферными критическими частотами и частотами, поглощаемыми дождем и атмосферными газами а также диапазон видимых и инфракрасных лучей Атмосфера частично прозрачна в диапазоне частот ниже Однако в этом диапазоне невозможно получить полосу необходимой ширины, поэтому для СРНС он не используется. Наиболее освоенным является первый частотный диапазон, называемый «радиоокном», поэтому в существующих

и проектируемых СРНС используются радиотехнические принципы передачи и выделения навигационной информации.

Для спутниковой радионавигации выделены следующие диапазоны частот [44, 45, 19]: узкие полосы вблизи для доплеровских РНС; полосы частот Они резервируются на всемирной основе для использования и развития электронных средств для воздушной навигации и любого непосредственно связанного с ними наземного и космического оборудования; диапазон частот вблизи Узкие полосы вблизи отведены для доплеровских РНС, полосы вблизи для систем, основанных на принципе направленности (угломерных а остальные (с достаточно широкими отведенными полосами) могут быть использованы для систем с шумоподобными широкополосными сигналами [44].

Рассмотрим особенности распространения радиоволн перечисленных диапазонов, влияющие на выбор проектных параметров СРНС. При распространении радионавигационных сигналов от НИСЗ к определяющемуся объекту влияние трассы проявляется в ослаблении сигнала, изменении скорости распространения его и отклонении траектории распространения от прямолинейной.

Расчет ослабления радиосигналов в атмосфере [56, 54, 44, 45]. Суммарное ослабление энергии сигнала состоит из ослабления сигналов в свободном пространстве и дополнительных потерь в атмосфере Земли. Ослабление зависит от длины волны X и расстояния между передающей и приемной антеннами Дополнительные потери обусловлены поглощением радиоволн в тропосфере и ионосфере, отражением и рассеянием энергии на неоднородностях атмосферы, изменением формы и плоскости поляризации радиоволн.

При распространении в атмосфере радиоволны поглощаются в кислороде, водяных парах, дожде и облаках. Резонансное поглощение в водяных парах происходит на частоте а в кислороде — на частотах Полное поглощение энергии радиоволн в кислороде и водяных парах. при прохождении через атмосферу можно рассчитать по формуле

где эффективные протяженности трассы через атмосферу; поглощения в кислороде и в водяных парах,

Поглощение радиоволн дождем и взвешенными частицами воды становится значительным на частотах выше Полное поглощение за счет выпадания дождя на участке пути длиной на частотах выше составит где удельное поглощение дождем.

В облаках энергия радиоволн испытывает заметное поглощение только на частотах выше Рассеяние энергии радиоволн рассматриваемого диапазона в атмосфере при малых углах места потребителя у вызывает затухание и искажение радиосигналов, однако оно, как правило, пренебрежимо мало [45].

Потери вследствие вращения плоскости поляризации при прохождении ионосферы в предположении, что передающая и приемная антенны линейно поляризованы и ориентированы одинаково, можно оценить в децибелах по формуле [78] Наиболее сильный поворот плоскости поляризации наблюдается в метровом диапазоне радиоволн при малых углах места.

Таким образом, дополнительное ослабление энергии радиоволн (в децибелах) в атмосфере Земли можно определить по формуле

Расчет шумов на входе приемного устройства [54, 56, 109]. Мощность шума на входе приемного устройства где постоянная Больцмана; суммарная шумовая температура всей приемной системы; эквивалентная полоса шумов приемника.

Суммарная шумовая температура всей приемной системы определяется интенсивностью как собственных тепловых шумов приемника так и шумов различных источников и цепей, внешних по отношению к входу приемника, таких как радиоизлучение атмосферы, тепловые шумы Земли и антенны, космические радиоизлучения, радиоизлучения Солнца, Луны, планет, а также тепловые шумы, создаваемые различными цепями, подключенными к входу приемника фидерами, фильтрами и т. д.

Методика расчета составляющих суммарной шумовой температуры дана, например, в [54 , 56, 109].

Оценка рефракционных ошибок. Неоднородное по высоте распределение диэлектрической проницаемости вызывает искривление траектории распространения радиоволн — рефракцию. Из-за этого время распространения радиосигналов между передатчиком и приемником отличается от времени прямолинейного распространения со скоростью света с. Это требует введения поправок при определении дальности до НИСЗ.

Тропосферная рефракционная погрешность измерения квазидальности согласно [166] определяется следующим соотношением:

где радиус Земли, у — угол места П,

— приведенный показатель преломления воздуха (индекс рефракции), коэффициент преломления воздуха на высоте над поверхностью Земли.

Для расчета рефракционной погрешности (5.10) используются различные аппроксимации реальных высотных профилей коэффициента преломления Анализ возможных аппроксимаций [63] показал, что при расчетах различные варианты профилей не имеют существенных преимуществ один перед другим. На практике наиболее часто применяется экспоненциальная модель нейтральной атмосферы (тропосферы и стратосферы), задаваемая соотношениями [46, 63 118]

где высота тропосферы; высота над уровнем моря поверхности Земли в месте расположения приземное значение значение на высоте

Ионосферную погрешность см, измерения квазидальности от П до НИСЗ оценивают по формуле [46]

где [Гц] — рабочая частота, групповой путь, вдоль которого распространяется радиосигнал, принятый прямолинейным, распределение электронной концентрации вдоль трассы распространения сигнала.

Ионосферную погрешность Лги измерения скорости можно определить дифференцированием погрешности

где достаточно близкие моменты времени.

Таким образом, оба алгоритма (5.14) и (5.15) сводятся к вычислению интегральной электронной концентрации вдоль линии визирования.

Распределение электронной концентрации имеет сложную структуру и изменяется в течение суток, от месяца к месяцу, с изменением солнечной активности. При глобальных расчетах ионосферных погрешностей используют ионосферную модель [90, 100], дополненную моделью плазмосферы [163]. Модель [90, 100] представляет собой набор аналитических формул с эмпирически подобранными значениями констант. При ее создании использовались данные 58 ионосферных станций, 8 арктических и 8 антарктических станций за длительный период наблюдения. В основе модели лежит предположение о том, что значение электронной концентрации в любой точке пространства в произвольный момент времени для всех значений солнечной активности есть сумма вкладов от трех слоев

Концентрация в каждом слое определяется амплитудным параметром, профильной функцией и пиковым значением плотности электронов в слое.

Модель [90, 100] используется для расчета электронной концентрации до высот около 500 км. Для расчета концентрации заряженных частиц в интервале высот применяется модель плазмосферы [163], основанная на расчетах диффузионно-равновесного распределения концентрации ионов водорода.

Входными параметрами для расчета ионосферных погрешностей измерения РНП с использованием моделей ионосферы — плазмосферы [90, 100, 163] являются: частота широта, долгота, высота потребителя и спутника , местное время номер месяца в году, среднемесячное число солнечных пятен (число Вольфа) и индекс магнитной активности

Алгоритм (5.17) включает большой объем вычислений как при расчетах электронной концентрации так и при численном интегрировании вдоль пути Поэтому на практике иногда пользуются упрощенной, двумерной моделью ионосферы [46], в основе которой лежит предположение о сферически-слоистом характере распределения электронной концентрации в ионосфере; при этом учитывается также, что основная часть интегральной концентрации содержится в окрестности максимума слоя а его высота принимается При указанных предположениях вычисление интеграла вдоль наклонной трассы сводится к интегралу вдоль вертикали а зависимость от угла места записывается в явном виде

где

Символ (2) в формуле (5.18) отражает тот факт, что погрешность рассчитывается по двумерной модели ионосферы в отличие от погрешности, рассчитываемой по формуле (5.17), где использована трехмерная ионосферная модель. Дальнейшее упрощение расчетов связано с усреднением величины по гелио-геофизическим условиям. В [46] принято Тогда вместо (5.18) будет

Исходными данными при расчете по (5.19) при фиксированной частоте является угол места потребителя. При изменяется от 5 до при изменении угла места П от 90 до 5°. Однако, как показывают экспериментальные данные [160, 178, 182, 184] и расчеты по моделям [90, 100, 163], вариация в течение суток ионосферных погрешностей может составлять до пяти раз, а внутри -летнего цикла солнечной активности — до трех раз; зависимость ионосферной погрешности от азимута из П на спутник наиболее ярко проявляется в средних широтах и неучет этой зависимости также может вызвать изменение погрешности в два раза. Тем не менее величина отражает картину в среднем.

Моделирование ионосферных погрешностей измерения квазидальностей, проведенное для сравнения дву- и трехмерной моделей ионосферы, показало, что для системы типа «Навстар» при рабочих углах места 10°, равновероятном расположении П по поверхности Земли и случайном времени из интервала повторяемости конфигурации системы средние значения

рассчитанных ионосферных погрешностей отличаются незначительно, в то время как среднеквадратические отклонения указанных погрешностей различаются более чем в три раза. Поэтому для оценок по средним значениям можно пользоваться упрощенной, двумерной моделью, а для более точных — вероятностных — оценок целесообразно применять трехмерную модель ионосферы. По оценкам, приведенным в [182, 184], при возможны ионосферные погрешности до что будет соответствовать году высокой солнечной активности и неблагоприятному расположению П и НИСЗ.