Одночастотные навигационные приемники повысили точность определения количества электронов в ионосфере в десять раз.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Sensors.

На высоте от 60 до 1000 километров над Землей находится ионосфера — часть атмосферы, в которой присутствует значительное количество свободных носителей зарядов, таких как электроны и ионы. Это приводит к тому, что радиоволны, проходя через ионосферу, преломляются и отклоняются от своего первоначального пути, что вызывает дополнительные задержки в распространении навигационных сигналов и может негативно сказаться на работе навигационных систем. При этом концентрация заряженных частиц в ионосфере изменяется и зависит от множества факторов, включая солнечное воздействие, энергичные частицы солнечного ветра и состояние атмосферы, а также может значительно варьироваться от дня к дню.

Поэтому для учета влияния ионосферы на функционирование навигационных спутниковых систем необходимо постоянно отслеживать изменения, происходящие в этой области. Обычно для этого применяются устройства, способные принимать сигналы навигационных систем на двух или более частотах. Эти приемники, хотя и позволяют с высокой точностью определять концентрацию заряженных частиц в ионосфере, являются дорогими и требуют дополнительных методов учета межканальных задержек навигационных сигналов как в своих приемных системах, так и в передающих системах навигационных спутников.

В связи с этим ученые ищут альтернативные способы мониторинга ионосферы с использованием сигналов только на одной частоте. Одночастотные методы наблюдения за ионосферой применяются, например, в системах навигации GPS, ГЛОНАСС, Galileo и BeiDou, но обычно они менее точны по сравнению с двухчастотными. Однако недавно европейская система Galileo и китайская BeiDou начали использовать новый метод кодирования радиосигналов, называемый AltBOC, который положительно повлиял на одночастотные измерения.

Ученые из Института солнечно-земной физики СО РАН (Иркутск) и Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва) сравнили качество одночастотных наблюдений за ионосферой с использованием нового метода кодирования сигналов AltBOC и традиционных методов кодирования BPSK и QPSK, применяемых ранее в навигационных системах Galileo и BeiDou и до сих пор используемых в GPS и ГЛОНАСС.

«Изначально радиоволна представляет собой обычную синусоиду, которая не содержит информации. Чтобы закодировать данные, необходимо изменить определенные параметры волны, такие как амплитуда, частота или фаза. Разные навигационные системы применяют различные методы кодирования, что приводит к различиям в свойствах получаемых сигналов. Поэтому важно найти такие методы, которые будут оптимальны для одночастотных ионосферных измерений», — поясняет руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Юрий Ясюкевич, доктор физико-математических наук, заместитель директора по научно-исследовательской работе Института солнечно-земной физики СО РАН.

Для исследования авторы использовали данные высокоточных приемников, принимающих сигналы различных глобальных навигационных спутниковых систем, включая GPS, ГЛОНАСС, Galileo и BeiDou. Эти данные предоставляются международной службой IGS, а также многочисленными организациями в России и за рубежом. Ученые выбрали самые современные приемники с максимальным набором функций для измерения характеристик сигналов.

Различные комбинации дальномерных и фазовых измерений позволяют оценить полное электронное содержание — количество электронов вдоль линии спутник-приемник. На основе этих данных исследователи моделировали различные сценарии, например, что произойдет, если регистрировать сигналы с разными характеристиками. В результате они оценивали 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 данные такого же качества, как и при многочастотных измерениях. В то же время традиционные схемы кодирования BPSK и QPSK в одночастотном режиме дают значительно худшие результаты из-за высокого уровня шумов в измерениях дальности. Это значительное улучшение качества мониторинга ионосферы при использовании кодировки AltBOC объясняется тем, что она позволяет существенно снизить уровень шумов при измерениях дальности благодаря большей ширине полосы сигнала. Таким образом, полученные результаты указывают на то, что метод кодирования AltBOC может быть полезен и для отечественной навигационной системы ГЛОНАСС.

«В дальнейшем нам предстоит выяснить, существуют ли у новой системы кодирования недостатки в определенных условиях, другими словами, когда лучше использовать старые типы кодирования. Это важно понять, поскольку основная задача ГЛОНАСС — обеспечение точной навигации, на которую влияет как способ кодирования, так и условия измерения, например, городской ландшафт», — подводит итог основной исполнитель работ по проекту, поддержанному грантом РНФ, Артем Падохин, кандидат физико-математических наук, доцент МГУ имени М.В. Ломоносова.