Одночастотні навігаційні приймачі змогли в десять разів точніше визначити кількість електронів в іоносфері.

Результати дослідження, підтриманого грантом Російського наукового фонду (РНФ), опубліковані в журналі Sensors.

На висоті від 60 до 1000 кілометрів над поверхнею Землі розташована іоносфера — область атмосфери, що містить велику кількість вільних носіїв зарядів, електронів та іонів. Через це, проходячи через неї, радіохвилі, заломлюючись, відхиляються від початкового прямолінійного поширення, що викликає додаткові затримки поширення навігаційних сигналів і, в свою чергу, може призвести до погіршення роботи навігаційних систем. При цьому концентрація заряджених частинок в іоносфері непостійна — вона залежить від безлічі факторів (впливу Сонця, енергійних частинок сонячного вітру, стану атмосфери) і може суттєво змінюватися з дня на день.

Тому, щоб врахувати вплив іоносфери на роботу навігаційних супутникових систем, потрібно постійно відстежувати зміни, які в ній відбуваються. Для цього зазвичай використовуються пристрої, здатні приймати сигнали навігаційних систем на двох або більше частотах. Такі приймачі, хоча й дозволяють з високою точністю оцінювати концентрацію заряджених частинок в іоносфері, є дорогими і вимагають додаткових методів обліку міжканальних затримок навігаційних сигналів не тільки в своїх приймальних системах, але й у передавальних системах навігаційних супутників.

Через це вчені шукають додаткові способи спостерігати за іоносферою за допомогою сигналів лише на одній частоті. Одночастотні методи спостереження за іоносферою застосовуються, наприклад, у системах навігації GPS, ГЛОНАСС, Galileo та BeiDou, але зазвичай вони недостатньо точні в порівнянні з двочастотними. Проте нещодавно європейська система Galileo та китайська BeiDou почали використовувати новий спосіб кодування радіосигналів, що називається AltBOC, який позитивно відобразився на одночастотних вимірюваннях.

Вчені з Інституту сонячно-земної фізики СО РАН (Іркутськ) та Московського державного університету імені М. В. Ломоносова (Москва) порівняли якість одночастотних спостережень за іоносферою з використанням нового способу кодування сигналів AltBOC і з використанням традиційних методів кодування BPSK та QPSK, які раніше застосовувалися в навігаційних системах Galileo та BeiDou і досі використовуються в GPS та ГЛОНАСС.

«Спочатку радіохвиля є звичайною синусоїдою, яка не несе інформації. Щоб закодувати з її допомогою дані, потрібно певним чином змінити якісь параметри хвилі, наприклад, амплітуду, частоту або фазу. І в різних навігаційних системах використовуються різні способи кодування. Тому властивості отримуваних сигналів відрізняються, і необхідно знайти такі, які будуть оптимальними для одночастотних іоносферних вимірювань», — розповідає керівник проекту, підтриманого грантом РНФ, Юрій Ясюкевич, доктор фізико-математичних наук, заступник директора з науково-дослідницької роботи Інституту сонячно-земної фізики СО РАН.

Для дослідження автори використовували дані високоточних приймачів, які приймають сигнали різних глобальних навігаційних супутникових систем, включаючи GPS, ГЛОНАСС, Galileo та BeiDou. Такі дані надаються міжнародною службою IGS, а також великою кількістю різних організацій в Росії та світі. Вчені вибрали найбільш сучасні приймачі з максимальним набором функцій для вимірювання характеристик сигналів.

Різні комбінації дальномірних і фазових вимірювань дозволяють оцінити повне електронне вміст — кількість електронів вздовж лінії супутник-приймач. На основі цих даних дослідники моделювали різні ситуації: наприклад, що буде, якщо реєструвати сигнали з різними характеристиками. В результаті дослідники оцінювали співвідношення рівнів сигналу і шуму, а також якість іоносферних вимірювань для стандартних систем кодування та нових AltBOC.

Дослідження показало, що одночастотні методи оцінки концентрації електронів в іоносфері з використанням кодування AltBOC дозволяють отримувати таку ж якість даних, як при багаточастотних вимірюваннях. При цьому традиційно використовувані схеми кодування BPSK та QPSK в одночастотному режимі дають на порядок гірші результати через високий рівень шумів вимірювань дальності. Таке значне поліпшення якості моніторингу іоносфери при використанні кодування AltBOC пов'язане з тим, що вона дозволяє значно зменшити рівень шумів при вимірюваннях дальності завдяки більшій ширині смуги сигналу. Таким чином, отримані результати показують, що метод кодування AltBOC може бути корисним і для вітчизняної навігаційної системи ГЛОНАСС.

«В подальшому нам потрібно дослідити, чи є у нової системи кодування недоліки при якихось певних умовах, іншими словами, коли краще використовувати старі типи кодування. Це важливо зрозуміти, оскільки основна задача ГЛОНАСС — забезпечення точної навігації, на яку складним чином впливають і спосіб кодування, і умови вимірювання, наприклад, міська забудова», — підсумовує основний виконавець робіт за проектом, підтриманим грантом РНФ, Артем Падохін, кандидат фізико-математичних наук, доцент МГУ імені М. В. Ломоносова.