НАВИГАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ В УСЛОВИЯХ ВОЗМУЩЕННОЙ ИОНОСФЕРЫ. Специальность 05.22.13 - Навигация и управление воздушным движением АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук МОСКВА

Авторефераты по всем темам >> Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

Горбачев Олег Анатольевич

НАВИГАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ

ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ В УСЛОВИЯХ

ВОЗМУЩЕННОЙ ИОНОСФЕРЫ.

Специальность 05.22.13 - Навигация и управление воздушным движением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

МОСКВА - 2009

Диссертационная работа выполнена в Московском государственном техническом университете гражданской авиации

Научный консультант: доктор технических наук,

профессор Нечаев Е.Е.

Официальные оппоненты:

укин Д.С., профессор, доктор физико-математических наук;

Кораблев А.Ю., профессор, доктор технических наук;

Рубцов В.Д., профессор, доктор технических наук.

Ведущая организация: ОАО Московское конструкторское бюро Компас.

Защита состоится л___ ___________________ 2009г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д.223.011.01 Московского государственного технического университета гражданской авиации по адресу:

125993, г. Москва, А-493, Кронштадтский бульвар, 20.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА.

Автореферат разослан л___ ___________________ 2009г.

Заверенный отзыв просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор С.К. Камзолов

Общая характеристика работы

Актуальность работы. На долю воздушного транспорта в общем объеме перевозок в Российской Федерации приходится более трети всего пассажирооборота и существенная часть грузоперевозок. Особую роль в процессе эксплуатации воздушного транспорта играет проблема обеспечения регулярности и безопасности полетов, включающая в себя множество составляющих, важнейшая из которых - организация и надежность функционирования системы УВД. Как известно, система УВД является достаточно сложной, многоуровневой системой, в которую входит широкий комплекс технических средств. Источниками информации для системы УВД в настоящее время служат первичные и вторичные радиолокаторы, автоматические радиопеленгаторы, радиотехнические средства навигации, средства связи и другое радиооборудование.

юбой сбой в работе системы УВД потенциально может привести к авиационному происшествию или катастрофе. Анализ авиационных происшествий показывает, что наиболее распространенными их причинами является нарушение правил эшелонирования и потеря экипажем ориентации в пространстве при заходе на посадку.

Очевидно, что обе причины связаны с недостаточной эффективностью навигационного обеспечения ВС, которое в настоящее время в основном обеспечивается традиционными средствами навигации, большинство из которых являются радионавигационными системами (РНС).

Основными проблемами, возникающими при использовании традиционных РНС, является увеличение количества передаваемой по радиоканалу информации, повышение помехоустойчивости этого радиоканала и точности выделения навигационной информации. Кроме того, большинство современных традиционных РНС используют для передачи навигационной информации УКВ-радиоканалы, что существенно ограничивает дальность их действия. Использование в качестве носителя навигационной информации низкочастотных радиоволн неэффективно из-за их сильного затухания при распространении и ограничения количества переносимой волной информации.

Перечисленные недостатки традиционных РНС привели к тому, что в концепции ICAO CNS/ATM предусмотрена организация навигационного обеспечения ВС ГА на базе спутниковых систем навигации (ССН).

ССН имеет ряд преимуществ перед традиционными РНС:

глобальность действия, которая следует из самой структуры системы;
высокая точность позиционирования и независимость от внешних условий, которые обеспечиваются характеристиками сигнала, применяемого для передачи навигационной информации;
неограниченная пропускная способность, вытекающая из принципа действия системы;
возможность реализации дифференциального режима с использованием базовых элементов системы.

В настоящее время, в связи с началом внедрения в систему УВД некоторых элементов концепции ICAO CNS/ATM, значительно ужесточились требования к качеству навигационного обеспечения ВС, что приводит к необходимости повышения целостности, надежности и точности позиционирования ССН.

Принцип работы ССН основан на передаче кодированных радиосигналов от навигационного спутника (НС) к пользовательскому оборудованию (ПО), работающему в пассивном режиме. Источник навигационной информации здесь заключен в самом сигнале. Это априори подразумевает наличие погрешностей позиционирования, вызванных отличными от традиционных РНС причинами.

Погрешности позиционирования ССН можно отнести к трем типам:

Погрешности, связанные с качеством навигационного сигнала - ошибки эфемерид, в том числе обусловленные влиянием на НС возмущений гравитации, давления солнечного ветра, сдвига магнитных полюсов Земли и ошибки спутниковых часов (в том числе обусловленные релятивистскими и гравитационными эффектами при движении по круговым орбитам);
Погрешности, связанные с несовершенством ПО - ошибки часов ПО, шумовые, вычислительные погрешности, погрешности дискретизации;
Погрешности, вносимые средой распространения сигнала - ионосферная и тропосферная рефракция, изменение траектории сигнала вследствие многолучевого распространения.

Количественные значения погрешностей определения координат в технически исправной ССН определяются условиями распространения навигационного сигнала, которые, в свою очередь, зависят от сезона, времени суток, метеоусловий, уровня геомагнитной и солнечной активности. Однако многочисленные исследования показывают, что при любых условиях основной вклад в ошибки позиционирования ССН дает атмосфера. При этом установлена прямая зависимость между величиной ошибки позиционирования 3-го типа и полным электронным содержанием (ПЭС), представляющим собой количество электронов в радиальном относительно поверхности Земли столбе единичного сечения околоземного космического пространства (ОКП).

Для примера на рис.1, по данным с официального сайта GPS, показано влияние различных факторов на точность определения координат в ССН GPS.

Следует отметить, что на этапе разработки ССН считалось, что влиянием среды, в которой происходит распространение их сигналов, можно пренебречь. В период первоначальной эксплуатации ССН погрешности, вносимые средой, не имели определяющего влияния на точность позиционирования вследствие превалирования над ними ошибок 1-го и 2-го типов. Однако сегодня значительно ужесточаются требования определенных групп потребителей навигационной информации к качеству навигационного обеспечения. Кроме того, ряд технических и программных решений позволил значительно снизить влияние на качество навигационного обеспечения ошибок 1-го и 2-го типов. Это привело к тому, что на сегодняшний день среда распространения сигналов НС является главной причиной ошибок позиционирования ССН, причем, в силу природного характера этих ошибок, уменьшить их техническими средствами невозможно.

Анализ данных, приведенных на рис.1 показывает, что основной вклад в ошибки, обусловленные средой распространения сигналов ССН, вносит ионосфера. Тропосферная погрешность имеет намного меньшую величину вследствие малости высотной протяженности тропосферы (15÷20 км) по сравнению с ионосферой (~500 км). Кроме того, для большинства задач воздушной навигации тропосферная погрешность при использовании модели стандартной тропосферы лежит в пределах требуемой точности местоопределения.

Итак, ионосфера дает основной вклад в величину ошибок позиционирования ССН. При этом необходимо заметить, что ионосфера большую часть времени находится в возмущенном состоянии, что приводит к увеличению погрешностей ССН. Кроме того, в настоящее время установлено, что ионосфера является единственной причиной (нетехнического характера) сбоев в работе ССН, что также особенно явно проявляется во время ионосферных возмущений.

Отметим, что в двухчастотном ПО проблема компенсации ионосферных погрешностей решена с достаточной точностью. Однако навигационное обеспечение ВС ГА по ряду причин экономического и технического характера построено на использовании в качестве бортового оборудования одночастотного ПО, для которого проблема компенсации ионосферных погрешностей, в силу вышесказанного, имеет важное значение.

Таким образом, возникает актуальная научная проблема повышения эффективности навигационного обеспечения воздушных судов гражданской авиации путем уменьшения ионосферных погрешностей ССН.

Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение эффективности навигационного обеспечения ВС гражданской авиации в условиях возмущенной ионосферы при использовании в качестве основного средства навигации одночастотных приемников ССН. Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

проведен анализ требований к навигационному обеспечению ВС гражданской авиации в условиях реализации концепции ICAO CNS/ATM, предполагающей в качестве основы подсистемы навигации глобальные ССН;
проведен анализ погрешностей ССН, обусловленных средой распространения сигналов НС, дисперсионных характеристик ОКП в низко- и высокочастотной областях спектра и сравнительный анализ моделей ионосферы относительно точности представления ионосферных параметров и возможности использования в программном обеспечении одночастотного ПО;
исследован процесс взаимодействия низкочастотных (НЧ) волн с ОКП с целью расчета вклада данного типа взаимодействия в ионосферные погрешности ССН;
разработана модель системы лионосфера-плазмосфера на основе численного решения системы гидродинамических уравнений, в которой учтены процессы взаимодействия НЧ волн с ОКП, с целью её использования в качестве инструмента уменьшения ионосферных погрешностей ССН;
в рамках модели определено влияние возмущенной по концентрации ионосферы на навигационное обеспечение ВС ГА в средних и высоких широтах;
на основе модели определено влияние на навигационное обеспечение ВС ГА возмущенной по волновой активности ионосферы в высоких широтах;
Разработано физико-математическое и аппаратно-программное обеспечение методики определения ионосферных погрешностей ССН GPS с применением одночастотного ПО;
разработана и экспериментально апробирована методика определения ионосферных погрешностей ССН GPS;
в рамках представленной методики проведено экспериментальное исследование влияния нерегулярных вариаций ионосферных параметров на точность позиционирования ССН, изучены возможные воздействия ионосферных возмущений на работу ССН с целью повышения качества навигационного обеспечения ВС ГА;
проведено экспериментальное исследование качества разнесенного приема сигналов ССН двумя одночастотными приемниками, имитирующее их размещение на борту ВС.

Методы исследования. При решении перечисленных задач в работе были использованы теоретические и эмпирические методы исследования ионосферы и ОКП, прикладные методы функционального анализа, методы матричного исчисления, численные методы, методы математического моделирования, пакеты прикладных математических и навигационных программ, а также экспериментальные исследования с помощью навигационного оборудования стандартного и специализированного назначения.

Научная новизна работы. Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые разработана модель системы лионосфера-плазмосфера, учитывающая процессы взаимодействия волна-частица в ОКП, с возможностью интегрирования в программное обеспечение одночастотного ПО. На основе модели определено влияние возмущенной по концентрации и волновой активности ионосферы на навигационное обеспечение ВС ГА в средних, высоких и субавроральных широтах. Предложена методика определения ионосферных погрешностей ССН GPS с применением одночастотного ПО, с помощью которой изучено влияние нерегулярных возмущений ионосферы на навигационное обеспечение ВС ГА. Проведено экспериментальное исследование качества приема сигналов ССН двумя одночастотными приемниками с выработкой рекомендаций по оптимальному расположению их антенн относительно друг друга на борту ВС.

В диссертации получены следующие основные научные результаты:

Определены последствия регулярных возмущений ПЭС на функционирование ССН как основного средства навигации ВС ГА с использованием расчетов суточных вариаций ПЭС на средних и высоких широтах в условиях спокойной и возмущенной ионосферы;
Показана возможность появления сбоев в навигационном обеспечении ВС ГА в высокоширотной ионосфере из-за наличия в ней области аномального рассеяния сигналов ССН;
Показано, что в авроральной ионосфере имеются регулярные источники НЧ излучения, существенно влияющие на навигационное обеспечение ВС ГА вследствие потери работоспособности РНС НЧ диапазона, входящих в состав региональной дифференциальной подсистемы Eurofix;
На основе разработанной методики определения ионосферных погрешностей ССН экспериментально подтверждено существование ранее теоретически предсказанных нерегулярных возмущений ПЭС, а также обнаружено новое свойство ионосферы - наличие в ней крупномасштабных периодических возмущений ПЭС с частотами 3 ÷ 5 миллигерц;
Определены последствия нерегулярных возмущений ионосферы на функционирование ССН как основного средства навигации ВС ГА;
На основе экспериментальных исследований определено оптимальное расстояние между антеннами размещенных на борту ВС одночастотных приёмников, позволяющее повысить эффективность приема сигналов ССН.

На защиту выносятся:

Результаты численного моделирования воздействия на навигационное обеспечение ВС ГА возмущенной по ПЭС ионосферы на средних и высоких широтах;
Результаты теоретического исследования воздействия на навигационное обеспечение ВС ГА возмущенной по волновой активности высокоширотной и субавроральной ионосферы;
Методика определения ионосферных погрешностей ССН GPS, основанная на измерении разности фазовых путей навигационных сигналов от двух НС и её физико-математическое обеспечение;
Результаты экспериментальных исследований воздействия на навигационное обеспечение ВС ГА нерегулярных вариаций ПЭС, полученных на основе методики определения ионосферных погрешностей ССН GPS;
Методика эксперимента и результаты экспериментальных исследований качества приема сигналов НС двумя одночастотными приемниками GPS с имитацией размещения их антенн на борту ВС.

Научная и практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:

влиять на точность и надежность навигационного обеспечения ВС ГА на трассах, проходящих в высоких и субавроральных широтах, путем прогноза вариаций ионосферных погрешностей, а также сбоев в работе ССН, в зависимости от уровня возмущенности ионосферы;
обеспечить требуемый уровень безопасности полетов путем повышения точности определения местоположения и скорости ВС при использовании одночастотных приемников ССН в качестве бортового оборудования;
определять ионосферные погрешности ССН с помощью одночастотных приемников, с небольшими финансовыми затратами, высоким временным и пространственным разрешением, а также возможностью мобильно и оперативно изменять геометрию измерительных пунктов при многопозиционных синхронных измерениях;
определить оптимальное с точки зрения качества приема навигационных сигналов расстояние между антеннами устанавливаемых на ВС ГА одночастотных приёмников GPS.

Внедрение результатов. Основные результаты диссертационной работы внедрены в МГТУ ГА, ГосНИИ ГА, ОАО Московское КБ УКомпасФ, ИГУ, ИрГУПС, что подтверждено соответствующими актами.

Достоверность результатов основана на использовании общепринятых достижений физики околоземного космического пространства, применении апробированных программных продуктов, корректности методов математического моделирования на ПЭВМ, согласованности экспериментальных результатов, полученных в ходе исследований на серийно выпускаемых навигационных приемниках, с результатами других авторов.

Апробация результатов. Результаты выполненных исследований докладывались на: V Международном симпозиуме КАПГ, г. Мурманск, 1989г., Х Международном семинаре по моделированию ионосферы, г. Казань, 1990г., XIII Научной конференции ученых ИрГТУ, г. Иркутск, 2004г., Секции Физика околоземного пространства Байкальской школы фундаментальной физики, г. Иркутск, 2006-2007гг., 18-й Международной научно-технической конференции КрымиКо, г. Севастополь, 2008г., Международной научно-технической конференции Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества, посвященная 85-летию Гражданской авиации России, г. Москва, МГТУ ГА, 2008г., ежегодных научно-технических семинарах кафедры Авиационного радиоэлектронного оборудования Иркутского филиала МГТУ ГА в 2003 - 2008 гг., ежегодных научных семинарах кафедры радиофизики физического факультета ИГУ в 2005 - 2008 гг., научно-техническом семинаре кафедры УВД факультета авиационных систем и комплексов МГТУ ГА в 2008г.

Публикация результатов. Основные результаты диссертации представлены в 27 научно-технических статьях, опубликованных в российских и зарубежных научных журналах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и 4 приложений. Основная часть диссертации содержит 291 страниц текста, 82 рисунка, 15 таблиц, 4 листинга программ и библиографию из 247 наименований. Общий объем работы 324 страницы.

Содержание работы

Во введении дана постановка задачи, обоснована актуальность темы, сформирована цель и задачи исследований, изложена структура диссертации.

В первой главе диссертационной работы приведены требования к навигационному обеспечению воздушных судов ГА в условиях реализации концепции ICAO CNS/ATM, определяющей ССН в качестве основного средства навигации. Их сравнение с количественными значениями требований к ССН, приведенных в Российском радионавигационном плане, показывает, что точностные характеристики ССН удовлетворяют требованиям авиационных потребителей при полетах по маршруту и некатегорированном заходе на посадку.

Проведен анализ современного состояния ССН NAVSTAR GPS и ГЛОНАСС. Показано, что с помощью базовых станций GPS, осуществляющих постоянный мониторинг навигационного поля и выдачу параметров принимаемых сигналов в сеть Internet, возможно изучение среды распространения сигналов GPS. Для этого необходимо, чтобы средства слежения, входящие в систему управления, имели функцию непосредственного измерения параметров орбит (эфемерид) НС. Такие измерения производятся путем лазерной дальнометрии и публикуются в Internet на сайте международной службы лазерных дальномерных измерений (International Laser Ranging Service - ILRS). Таким образом, эфемериды всех НС (точнее - фазовых центров передающих антенн) орбитальной группировки в текущий момент времени могут считаться известными с ошибкой в несколько сантиметров, откуда следует возможность изучения среды распространения сигналов GPS, исходя из параметров самого сигнала.

В главе дан сравнительный анализ погрешностей ССН, вносимых средой на трассе распространения сигналов. Показана возможность уменьшения основных ионосферных и тропосферных погрешностей при использовании недорогой одночастотной аппаратуры посредством измерения параметров сигнала, прошедшего ионосферу и метода разнесенного приема.

Изучены особенности построения используемой в настоящее время бортовой навигационной аппаратуры CCH, в частности, многофункциональной измерительной аппаратуры, обеспечивающей определение пространственной ориентации ВС по сигналам ССН ГЛОНАСС и GPS с требуемой погрешностью определения курса, крена и тангажа ВС, с помощью нескольких приемных антенн, позволяющих создать базу для интерферометрических измерений.

Во второй главе диссертационной работы изучены свойства околоземного космического пространства Ц главного источника погрешностей ССН нетехнического характера. Показано, что вне зависимости от уровня возмущенности ОКП орбиты навигационных спутников ССН лежат внутри плазмосферы - области относительно холодной плазмы с концентрацией заряженных частиц 102 ÷104 смЦ3 и температурой ≈104 К, вмороженнной в геомагнитное поле и вращающейся как единое целое вместе с Землей (рис.3). На внешней границе плазмосферы - плазмопаузе плотность плазмы падает примерно до ~1.0 см-3. Внутри ОКП текут токи - кольцевой ток, текущий в плоскости экватора в западном направлении на расстоянии ~ 46 земных радиусов и продольные токи, вытекающие из или втекающие в ионосферу высоких широт (рис.2). Существование токов напрямую связано магнитными бурями. Во время главной фазы магнитной бури происходит усиление продольных токов в высокоширотной ионосфере и, соответственно, усиление кольцевого тока, который замыкается на нижележащую ионосферу посредством продольных токов. Происходит усиление кольцевого тока и за счет увеличения конвекции плазмы из области плазменного слоя. Таким образом, плотность тока во всех токовых системах ОКП растет, что приводит к усилению магнитного поля этих токов. В итоге суммарное магнитное поле (статическое геомагнитное поле плюс переменное магнитное поле токов) заметно ослабляется, следствием чего являются различные ионосферные явления - полярные сияния, высыпания энергичных частиц из радиационных поясов, развитие плазменных неустойчивостей различной природы и т.д. Кроме того, увеличиваются размеры плазмосферы и происходит её УвытягиваниеФ на вечерней стороне (рис. 3).

Учитывая, что основная часть ПЭС сосредоточена в ионосфере, проведен сравнительный анализ ионосферных моделей относительно возможности их использования в одночастотном ПО. Показано, что эмпирическая модель Клобучара, используемая в математическом обеспечении одночастотного ПО, весьма не точна по сравнению с другими ионосферными моделями и ее применение в ССН обусловлено простотой ее машинной реализации. Более точные модели ионосферы - IRI и NeQuick слишком сложны для их реализации в одночастотном ПО.

В главе проведен анализ дисперсионных характеристик ОКП, на основе которого изучены вопросы усиления и распространения электромагнитных волн в НЧ и ВЧ диапазонах. Показано, что на распространение ВЧ волн в диапазонах L1 и L2 влияет только величина ПЭС, а НЧ волны взаимодействуют с тепловой плазмой ОКП только на черенковском резонансе. При этом воздействие волны с независимой от времени амплитудой на заряженную частицу описывается уравнением диффузионного типа в пространстве скоростей:

, (1)

где - коэффициент диффузии, - функция распределения частиц сорта α, , - продольная относительно геомагнитного поля компонента скорости. В диссертации получены выражения для коэффициентов квазилинейной диффузии электронов и индуцированного рассеяния ионов на НЧ волнах:

Электроны: , (2)

Ионы: . (3)

Здесь: - спектральная интенсивность НЧ волн, , - альвеновская скорость, - ларморовская частота ионов, - вероятность индуцированного рассеяния на ионах волны с превращением в волну , , - спектральная интенсивность волны σ, - тензор диэлектрической проницаемости.

Выражения (2), (3) позволяют с помощью метода моментов рассчитать вклад от рассматриваемого взаимодействия в величину и характер поведения погрешностей позиционирования ССН.

В третьей главе диссертационной работы исследуется влияние возмущенной по концентрации ионосферы на функционирование ССН. Вариации электронной концентрации в ионосфере приводят к изменению показателя преломления, то есть к погрешностям позиционирования ССН. Так как орбиты НС лежат внутри плазмосферы (см. рис.3.), выберем в качестве объекта исследования систему лионосфера-плазмосфера, а инструмента исследования - численную модель, в которой согласованно рассчитывается нагрев плазмы различными источниками, учитываются эффекты нестационарности, используется дипольное приближение геомагнитного поля, а интегрирование проводится вдоль геомагнитной силовой линии.

Система моделирующих гидродинамических уравнений, описывающих распределение параметров системы лионосфера-плазмосфера получена в диссертации из кинетического уравнения для сглаженной по осцилляциям функции распределения с помощью процедуры усреднения по фазовому пространству в 13-ти моментном приближении Грэда:

, (4)

, (5)

, (6)

. (7)

Здесь: , m, N, T и S - соответственно масса, концентрация, температура и поток тепла заряженных частиц, V - гидродинамическая скорость вдоль направления геомагнитного поля В, - сечение геомагнитной силовой трубки, - проекция ускорения свободного падения на силовую линию, , . В правых частях уравнений (4)-(7) учтены процессы образования и гибели ионов , , и , наличие продольных токов, поступление энергии в систему от сверхтепловых электронов, взаимодействия НЧ волн с тепловой плазмой в области геомагнитного экватора, взаимодействия ионно-звуковых волн с тепловой плазмой на высотах внешней ионосферы.

Система уравнений (4)-(7) интегрировалась по координате s, направленной вдоль силовой линии геомагнитного поля с граничными условиями:

(8)

и согласованными по величине шагами по времени t и координате s. Входными параметрами модели являются широта, параметры нейтральной атмосферы, индексы солнечной и геомагнитной активности.

Вариации ПЭС в среднеширотной ионосфере. ПЭС вдоль луча ПО-НС в геоцентрической системе координат представимо в известном виде:

, (9)

где - высотно-временной профиль электронной концентрации, - дальность до НС, - геоцентрические координаты НС и ПО соответственно, r - текущая координата вдоль луча.

Для расчета вариаций погрешностей ССН необходимо перейти от наклонного ПЭС, определяемого (9), к вертикальному значению , соответствующему значению угла места НС . Очевидно, что . Сферичность Земли учитывалась с помощью известного соотношения:

, (10)

где ~300 км - высота максимума F-слоя ионосферы. Используя известные выражения для угла места НС: , где - радиус орбиты НС, φ, λ - геодезические широта и долгота ПО, , λНС - геодезические широта и долгота НС, - центральный угол между НС и точкой нахождения ПО, и формулы (9)-(10), в диссертации выполнены расчеты вариаций суточного хода ПЭС в системе лионосфера-плазмосфера. Полученные результаты сравнивались со значениями ПЭС, измеренными мировой сетью базовых GPS-станций и выложенными в Интернет в виде файлов IONEX. На рис.4 представлен суточный ход вертикального ПЭС для спокойных условий в северном полушарии (φ = 660), восстановленный по файлам IONEX (квадраты) и вычисленный по представленной модели системы лионосфера-плазмосфера (сплошная кривая), в единицах TECU (Total Electron Content Unit, 1 TECU = 1010 см-2) при угле места . Максимум ПЭС наблюдается в 13.30 LT, а минимум значительно смещен относительно полуночи и достигается в 4.30 LT. В ночные и вечерние часы величина ПЭС приблизительно в 6 раз меньше, чем в дневные часы, что объясняет хорошо известный факт: среднестатистическая погрешность ССН за счет ионосферной рефракции падает с 30 м днем до 6 м ночью. Расчеты ПЭС, выполненные без учета взаимодействия НЧ волн с ОКП, дают вариации суточного хода ПЭС, аналогичные показанным на рис.4, но с абсолютной величиной ПЭС, меньшей примерно на 25%.

Вариации ПЭС в высоких и субавроральных широтах. Одним из следствий учета в модели взаимодействия НЧ волн с возмущенным ОКП является появление на высотах выше максимума F2-слоя ионосферы области неизотермичности ионосферной плазмы, динамика которой показана на рис.5. Неизотермичность плазмы приводит к генерации ионно-звуковых колебаний в ней, то есть к существенному увеличению эффективных частот столкновений, что приводит к уменьшению электронного потока тепла, стекающего из экваториальной области плазмосферы в нижележащую ионосферу. Так во внешней ионосфере возникает лионно-звуковая пробка, впервые изученная автором, которая приводит к возмущению ПЭС и, как следствие, к увеличению ионосферной погрешности ССН.

Для существования ионно-звуковой неустойчивости плазмы при соотношении (рис.5) необходимо наличие продольного тока , в котором u превышает некоторое значение . Инкремент генерации ионного звука можно получить из дисперсионного уравнения плазмы при :

, (11)

где - тепловые скорости электронов и ионов, и - частота и скорость ионного звука. Оценка уровня ионно-звуковой турбулентности возможна в предположении, что распределение электронов сдвинуто по скорости относительно ионов на величину u, а релаксация неравновесного распределения частиц плазмы происходит квазилинейно. Опуская промежуточные выкладки, имеем:

, (12)

где , , - дебаевский радиус, - плазменная частота ионов, - частота столкновений ион-ион, - напряженность электрического поля волны.

Ионно-звуковые волны изменяют тепло- и электропроводящие свойства ионосферы из-за появления дополнительного рассеяния электронов на них. Представляя плазмон ионного звука как тяжелую заряженную частицу, можно считать рассеяние на ней электрона кулоновским с эффективной частотой:

. (13)

Для выяснения роли лионно-звуковой пробки в возмущениях ПЭС на высоких и субавроральных широтах (φ = 660750), где существуют продольные токи, в правых частях уравнений (4)-(7) учитывались члены, описывающие рассеяние тепловых электронов на ионно-звуковых волнах с частотой (13) и прямой омический нагрев ионосферы продольным током:

, (14)

где - частота столкновений электрон-электрон, а значения лежат в пределах в зависимости от уровня геомагнитной активности.

Расчеты вариаций суточного хода ПЭС, обусловленные влиянием ионно-звуковой неустойчивости на систему лионосфера-плазмосфера представлены на рис. 6. Показан суточный ход вертикального ПЭС для возмущенных условий в северном полушарии (φ = 69.30), восстановленный по файлам IONEX (квадраты) и вычисленный по представленной модели (сплошная кривая - с учетом, пунктир - без учета ионно-звуковой пробки). Видно, что учет ионно-звуковой пробки дает достаточно хорошее соответствие между измеренным и вычисленным ПЭС, в то время как расчеты без учета ионно-звуковой пробки дают явно заниженные значения ПЭС. Наибольшие расхождения (до 35%) между зна

чениями ПЭС наблюдаются в вечернее время суток с 16.00 LT до 19.00 LT. Это согласуется с экспериментальными измерениями плотности продольных токов с наиболее высокими значения в вечернее время суток.

Таким образом, в условиях возмущенного ОКП в диапазоне широт 660÷750 происходит значительное (до 35%) повышение ПЭС, обусловленное раскачкой в ионосфере ионно-звуковых волн, что приводит к росту ионосферной погрешности ССН и снижению качества навигационного обеспечения ВС ГА.

В четвертой главе диссертационной работы исследовано воздействие на навигационное обеспечение ВС ГА возмущенной по волновой активности ионосферы. Рассмотрены два механизма: развитие ионно-звуковой неустойчивости в зоне неизотермичности в высокоширотной ионосфере и генерация различных типов ОНЧ (100Гц÷30кГц) и НЧ (30кГц ÷100кГц) волн, которые далее будем называть НЧ волнами, обусловленная неравновесным состоянием ОКП.

Навигационные аспекты существования области ионно-звуковой турбулентности на высотах внешней ионосферы в области низких частот базируются на механизме генерации НЧ волн типа аврорального шипения при нелинейной трансформации ионно-звуковых волн. Основную роль в данном процессе играет слияние двух продольных ионно-звуковых волн с образованием поперечной электромагнитной волны, . При этом должны выполняться условия пространственно-временного синхронизма:

, (15)

где - частота излучаемой НЧ волны, - её волновой вектор. Слияние двух ионно-звуковых волн, распространяющиеся в противоположных направлениях, требует достаточно высокого темпа изотропизации ионного звука, определяемого выражением , где θ - угол между волновым вектором и направлением геомагнитного поля. Анализ (15) показывает, что полная изотропизация ионно-звуковых волн происходит за время ≤ 10-2с, откуда следует, что в области ионно-звуковой турбулентности на высотах внешней ионосферы возможна генерация НЧ волн типа вистлера.

Интенсивность НЧ волны (вистлера) можно оценить в рамках теории слабой турбулентности при изотропном спектре ионно-звуковой турбулентности:

, (16)

где - время излучения вистлера. При размере области генерации ионного звука ≥ 100км и значениях параметров верхней ионосферы , эВ, , получаем следующую оценку амплитуды излучения вистлера , которая соответствует потоку энергии порядка 3⋅10-9 Вт.м-2. Соответствующая спектральная плотность излучения для частот НЧ диапазона ~ имеет значение Вт⋅м-2⋅Гц-1, что близко к наблюдаемым значениям интенсивности НЧ шумов. Оценим влияние предложенного механизма генерации НЧ волн на работоспособность функционирующих в НЧ диапазоне РСДН Лоран-С и Чайка, задействованных в российско-европейской региональной дифференциальной подсистеме (ДПС) Eurofix, которую планируется использовать в навигационном обеспечении ВС ГА в европейской части РФ. При мощности передатчика РНС Лоран-С ~103 кВт, 100 кГц и длительности импульса ~10-4 с спектральная плотность на максимальной дальности действия ДПС ~1000 км не превышает 10-13 Вт⋅м-2 ⋅Гц-1. Это означает, что НЧ излучение типа вистлера способно нарушать функционирование ДПС Eurofix.

Навигационные аспекты существования ионно-звуковой турбулентности в области высоких частот базируются на механизме комбинационного рассеяния радиоволны на ионно-звуковых флуктуациях. Хорошо известно, что при распространении электромагнитной волны в турбулентной плазме происходит ее эффективное затухание из-за нелинейного взаимодействия с плазменными шумами. Для электромагнитной волны с частотой () и случая незамагниченной плазмы ()данный процесс описывается уравнением:

, (17)

где

. (18)

Здесь Цвектор поляризации радиоволны, нн - диэлектрическая проницаемость плазмы для электромагнитных волн, Еt - напряженность электрического поля радиоволны. Первое слагаемое в (18) описывает затухание радиоволны за счет столкновений на заряженных частицах ионосферной плазмы, второе слагаемое определяет вклад процесса трансформации поперечной радиоволны в продольные ионно-звуковые волны и третье слагаемое описывает комбинационное рассеяние радиоволны на ионно-звуковых флуктуациях.

Можно показать, что второе слагаемое в (18) на высотах h~300 км мало по сравнению с затуханием за счет столкновений. Оценим вклад комбинационного рассеяния, используя условия пространственно - временного синхронизма

, (19)

из которых следует, что для случая обратного рассеяния справедливо соотношение: и радиоволны диапазонов L1 и L2 могут рассеиваться ионно-звуковыми колебаниями с см-1. Так как , то максимум в распределении спектра ионно-звуковых волн при попадает как раз на этот интервал волновых чисел, как показано на рис.7.

Опуская промежуточные выкладки, получим оценку эффективной частоты комбинационного рассеяния ВЧ радиоволны на ионно-звуковых флуктуациях:

. (20)

Для высот максимума F-слоя ионосферы при максимальном значении спектра в режиме его насыщения легко получить оценку частоты рассеяния радиоволн диапазонов L1 и L2 () на фононах ионного звука: , что сравнимо со значениями частот за счет столкновений: и . Выше максимума F-слоя эти частоты быстро уменьшаются, тогда как рассеяние на ионном звуке от высоты практически не зависит. Таким образом, в области существования ионно-звуковой турбулентности на высотах h~200500 км происходит изменение направления волнового вектора сигнала, излучаемого НС. Так как размеры фонона (20) много больше длин волн диапазонов L1 и L2, то рассеяние сигналов ССН происходит наиболее эффективно на большие углы.

Оценим величину затухания радиоволн диапазонов L1 и L2 при их комбинационном рассеянии на ионно-звуковых флуктуациях. Используя стандартное выражение для коэффициента затухания, получим:

, (21)

где - групповой путь пакета ионно-звуковых волн, который практически не зависит от параметров ионосферы. Значения Г >10, обеспечивающие значительное ослабление амплитуды сигнала радиоволны, достигаются уже при , тогда как высотный размер области ионно-звуковой неустойчивости . Таким образом, в области существования ионно-звуковой турбулентности происходит нарушение функционирования ССН, следствием чего является высокая вероятность сбоев в навигационном обеспечении ВС ГА, использующих одночастотные приемники ССН в качестве основного средства навигации.

В пятой главе диссертационной работы представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований применения одночастотных приемников GPS для навигационного обеспечения ВС ГА.

Воздействие среды на распространение сигналов НС принципиально неустранимо, однако его влияние на ошибки позиционирования ССН может быть учтено и в той или иной степени скорректировано применением более точных моделей среды (особенно ионосферных), либо более тщательным изучением механизмов воздействия ОКП на распространение сигналов высокой частоты.

Принцип работы ССН дает возможность корректировки её погрешностей, исходя из анализа параметров сигналов НС, прошедших ионосферу. Отсюда следует возможность создания методики определения ионосферной погрешности ССН. Решение этой задачи имеет практическую важность не только для навигационного обеспечения ВС ГА, но и для авиационных систем радиосвязи и радиолокации, использующих ионосферные радиоканалы.

Существующие методики определения ионосферной погрешности ССН используют в качестве аппаратного обеспечения двухчастотное ПО. В данной главе разработана методика определения ионосферных погрешностей ССН с применением одночастотного ПО. Уточним, что речь идет о погрешностях, обусловленных нерегулярными процессами в ОКП, так как регулярные вариации погрешностей хорошо изучены. Сформулируем требования к данной методике:

Возможность реализации высокого (~ 1 сек.) разрешения по времени при получении и обработке данных;
Возможность мобильного и оперативного изменения геометрии измерительных пунктов при многопозиционных синхронных измерениях;
Обеспечение необходимой точности определения ионосферной погрешности;
Существенное снижение стоимости измерительных пунктов в сравнении с использованием двухчастотного ПО.

Основной функцией ПО является обработка его программным обеспечением первичных данных (псевдодальности и фазы несущей), содержащихся в сигналах НС. Первичные данные содержатся в RINEX-файлах, доступных для компьютерной обработки. Для определения координат ПО решает навигационную задачу, используя значения псевдодальностей (или фазы несущей) из наблюдательных RINEX-файлов и эфемериды НС из навигационных RINEX-файлов. С радиофизической точки зрения фаза несущей (точнее - набег фазы) есть фазовый путь сигнала с точностью до аддитивной константы, а псевдодальность - групповой путь сигнала, с учетом сдвига часов ПО относительно временной шкалы НС. Отсюда ясно, что в лочищенных от сдвига часов первичных данных присутствует ионосферная и тропосферная погрешности. Ионосферная погрешность пропорциональна ПЭС вдоль траектории распространения сигнала, однако далее будет использоваться её нормировка в единицах длины, соответствующей разнице между лочищенной от сдвига часов ПО псевдодальностью и реальной геометрической (истинной) дальностью.

С целью отработки методик измерений на территории Иркутского филиала МГТУ ГА были организованы два наблюдательных пункта с вынесенными на крыши учебных корпусов специализированными антеннами, для которых была официально выполнена геодезическая привязка. В соответствии с отчетом, представленным ООО Землеустроитель, гарантированная точность координат пунктов в системе СК-42 составляет 0.1 метра. Для преобразования этих координат в систему WGS-84, в которой работает ССН GPS, использовалась специально разработанная программа. В качестве аппаратного обеспечения были выбраны приемники GARMIN GPS MAP 295, адаптированный для использования в качестве бортового оборудования ВС малой авиации и более дешевый GARMIN GPS V. Программное обеспечение осуществлялось комплексом ASYNC/ GAR2RNX, состоящим из двух частей: программы ASYNC _1_23.ЕХЕ, которая в режиме реального времени считывает с приемника временной ход различных параметров и сохраняет их в бинарном файле и программы GAR2RNX_1_48.exe, которая в режиме постобработки генерирует из бинарного файла RINEX-файл, содержащий ежесекундные отсчеты псевдодальности и фазы несущей с точностью до постоянного слагаемого. Навигационная задача решалась как с помощью программы MathCAD, так и стандартного пакета MATHEMATICA 5.

Считая псевдодальность групповым Lg, а набег фазы, умноженный на длину волны - фазовым Lф путем сигнала НС, определим их выражениями:

. (22)

Здесь АВ - траектория распространения сигнала от приемника до спутника, - показатель преломления среды в текущей точке траектории, для которого в плазменной среде на высоких частотах можно использовать выражение:

. (23)

Учитывая, что , (22) можно представить в виде:

. (24)

Здесь - геометрический путь сигнала, а - малая поправка к нему, равная ионосферной погрешности (тропосферную погрешность считаем малой). Из (24) следует вывод о том, что из данных лидеального приемника, определяющего и , можно установить истинное расстояние между приемником и спутником и ионосферную погрешность .

Как показали эксперименты, для реального одночастотного ПО измерения разности вариаций фазового пути и псевдодальности малопродуктивны, так как они содержат интенсивный аппаратный шум, маскирующий истинные вариации, связанные с ионосферной погрешностью. Кроме того, вариации и , измеряются на фоне очень сильного регулярного тренда, связанного с уходом часов приемника относительно системного времени GPS. Поэтому для определения ионосферной погрешности были использованы измерения относительного фазового пути, так как разность фаз сигналов от двух НС, принятых одним приемником, сдвига часов приемника уже не содержит. Для НС с номером k фазовый путь Fk можно представить в виде:

, (25)

где Rk - истинное расстояние до НС, Ik - ионосферная погрешность, пропорциональная наклонному ПЭС вдоль траектории радиолуча, k - тропосферная погрешность, которая на данном этапе исследований не учитывается, Ck - постоянная для данного сеанса измерений константа.

Измеряя разность фазовых путей для спутников k и j, и зная истинные расстояния до них, можно найти величину:

, (26)

причем С можно определить из начального условия . В текущий момент времени t величина представляет собой наклонную разностную ионосферную погрешность (РИП) для двух НС с номерами k и j.

Исходя из величины общей погрешности ССН, возможны наблюдения РИП в десятки метров в период с восхода до захода Солнца и существенно меньшие значения в ночные часы. Во временном ходе РИП можно ожидать сильный регулярный тренд и на его фоне более слабые короткопериодические флуктуации.

Из-за наклонности траектории сигнала НС, необходим пересчет наклонной РИП в вертикальную. Для этого введем понятие подионосферной точки как проекцию на поверхность Земли точки пересечения траекторией радиолуча УНСЦПОФ высоты максимума слоя F2 ионосферы, h≈300 км. Очевидно, что наклонную РИП следует привязывать к паре подионосферных точек, которые для видимых НС могут быть разнесены на дальность до 1000 км и находиться в существенно разных условиях относительно величины вертикального ПЭС. Вопрос, к какой подионосферной точке относятся флуктуации РИП, не имеет особого значения, так как для практических целей навигации интересны спектры таких вариаций безотносительно того, в какой точке они появляются.

Эксперименты по определению ионосферных погрешностей ССН проводилось в период с 2006г. по 2008г. в г.Иркутске с использованием одночастотного ПО GARMIN GPS MAP 295 и GARMIN GPS V. Истинное расстояние до НС Rk определялось в процессе пост-обработки из лазерных измерений координат НС по данным международной службы лазерных дальномерных измерений.

На рис. 8 представлен временной ход РИП, содержащий в себе регулярный тренд, типичный для большей части наблюдений. Виден характерный временной ход в ожидаемых числовых значениях и без явно выраженных флуктуаций. Подобная картина наблюдается не всегда. Событие, показанное на рис.9, имело место для измерений с участием НС №2Ц№13. Отчетливо видно уединенное возмущение РИП длительностью около 5 минут и величиной около 2 метров. Важным является то, что аналогичная ситуация проявляется только в измерениях с участием НС №13. Для иллюстрации на рис.10 приведен временной ход РИП для НС №4Ц№13.

Рис.9. Временной ход разностной ионосферной погрешности для НС №2Ц№13

с уединенным возмущением (17.30÷20.00 LT, 21.12.06г.).

Рис.10. Временной ход разностной ионосферной погрешности для НС №4Ц№13

с уединенным возмущением (17.30÷20.00 LT, 21.12.06г.).

Таким образом, представленная методика позволяет с уверенностью определять вариации ионосферной погрешности ССН размером в единицы метров, обусловленные уединенными возмущениями ПЭС.

Рассмотрим возможность определения с помощью представленной методики короткопериодических возмущений ПЭС. На рис.11а приведен временной ход РИП для НС №6Ц№29 со слабыми флуктуациями на фоне регулярного тренда. Для выделения флуктуаций была проведена процедура линейного сглаживания по пяти точкам. Удаление тренда выполнялось путем вычитания из исходных данных сглаженных. В результате получены флуктуации РИП в чистом виде, которые показаны на рис.11б. Видно, что флуктуации РИП имеют явно выраженную периодическую структуру с периодом ~20 мин., что согласуется со спектром гравитационных волн в ионосфере, обнаруженных экспериментально.

Для доказательства того, что представленные выше результаты не являются следствием аппаратных сбоев ПО, были проведены синхронные измерения РИП

Рис.11. Временной ход РИП для НС №6Ц№29 с короткопериодическими флуктуациями (07.30÷09.40 LT, 29.04.07г.): а - до удаления тренда; б - после удаления тренда.

на однотипных приемниках GARMIN GPS V в двух разнесенных на 4 километра пунктах с геодезическими координатами:

Пункт №1:, , ;

Пункт №2:, , .

Эксперимент проводился 4.04.08г. в период 18.30÷21.16 LT. После получения значений РИП (каждые 30 сек.) с удаленным регулярным трендом (рис.12б), был выполнен расчет коэффициента корреляции (рис.13) РИП в пунктах №1 и №2 и произведено преобразование Фурье РИП на различных временных отрезках для получения их спектра, представленного на рис.14.

Рис.12а. Синхронизированные по времени измерения РИП, выполненные в пунктах №1,2 для НС №5-№14 без удаления тренда (18.30÷21.16 LT, 4.04.08г.).

Рис.12б. Синхронизированные по времени измерения флуктуаций РИП, выполненные в пунктах №1,2 для НС №5-№14 после удаления тренда (18.30÷21.16 LT, 4.04.08г.).

Рис.13. Коэффициент корреляции РИП для пунктов

№1,2 и НС №5 - №14 (18.30÷21.16 LT, 4.04.08г.).

Результаты показывают, что:

Измеренные в ходе экспериментов величины являются ионосферными погрешностями, а не следствием аппаратных сбоев ПО;
Процессы, контролирующие ПЭС в подионосферных точках, соответствующих координатам пунктов №1 и №2, синфазны с коэффициентом корреляции, близким к единице, следовательно, имеет место горизонтальное перемещение флуктуаций ПЭС со скоростью не менее 500 км/ч;
АЧХ сигнала имеет основную гармонику с частотой ~4 мГц, что согласуется с временным ходом коэффициента корреляции и означает наличие в ионосфере ранее неизвестных низкочастотных периодических процессов.

Таким образом, представленная методика определения ионосферной погрешности ССН позволяет с высокой точностью и малыми финансовыми затратами производить мониторинг навигационного поля ССН, что ведет к повышению эффективности навигационного обеспечения ВС в одночастотном режиме.

Далее в пятой главе проведено экспериментальное исследование качества приема сигналов ССН одночастотными приемниками GPS, имитирующее их размещение на борту ВС, с использованием уже апробированного аппаратно-программного обеспечения и метода разнесенного приема.

Очевидно, что степень коррелированности атмосферных погрешностей для приёмников А и Б будет уменьшаться с ростом расстояния между фазовыми центрами их антенн. В то же время при малых расстояниях между приемниками имеется взаимное влияние антенн. Отсюда следует, что для практической навигации представляет интерес определение оптимального (с точки зрения качества приема) пространственного разноса антенн двух навигационных приёмников.

В ходе первого эксперимента синхронно измерялся уровень сигнала от видимых НС тремя одночастотными приемниками GARMIN GPS-V, установленных на расстоянии 0, 5 и 50 друг от друга, где ≈19.8см - длина волны сигнала в диапазоне L1. В процессе пост-обработки результатов измерений с помощью программного комплекса ASYNC/GAR2RNX из сгенерированного RINEX-файла извлекалась информация о качестве приема сигнала по десятибалльной шкале градации уровня сигнала. Время проведения сеанса - 03.04.07, в 15.00 LT, длительность сеанса - 10 минут.

Результаты приёма сигналов на разнесённые приемники №№1,2 и 3 для расстояний между фазовыми центрами их антенн 5 и 50 приведены в таблице.

Расстояние между приемниками - 5λ
Номер спутника	G2	G6	G7	G8	G10	G16	G18	G21	G24	G26	G27	G29
Приёмник №1	83,6	96,6	100	83,3	100	100	100	99,6	74,4	91,3	100	3,5
Приёмник №2	66,3	87,7	100	87	100	100	100	99,6	78,3	87,8	100	0
Расстояние между приемниками - 50λ
Номер спутника	G2	G6	G7	G8	G10	G16	G18	G21	G24	G26	G27	G29
Приёмник №1	100	100	100	93,3	100	98,8	70,7	100	100	100	71,7	100
Приёмник №3	100	100	100	19,3	100	97,5	98,8	100	100	100	77,3	100

Устойчивый приём (100% принятых сигналов от НС за время измерений) достигался от 5Е8 НС рабочего созвездия, при этом порог приёма сигнала определялся на уровне пяти по десятибалльной шкале. Коэффициент корреляции для приемников №1-№2 (R12=5) составил К12=0.98, для приемников №1-№3 (R13=50) - К13=0.22, откуда следует вывод о некоррелированности атмосферной погрешности ССН при значительном разнесении антенн приёмников.

С целью определения расстояния Rij между антеннами приемников, при котором принятые от НС сигналы можно считать некоррелированными, 14.07.07 в 10.00 LT был проведен второй эксперимент, в котором два одночастотных приемника GARMIN GPS-V последовательно устанавливались на расстоянии (1÷7) (через 1), 10, 50 и 100. Устойчивый приём достигался от 6Е8 НС рабочего созвездия.

На рис.15 представлен коэффициент парной корреляции уровня сигнала на антеннах приемников. Максимальное значение К12=0.97÷0.99 наблюдается при R12=(5÷6). В диапазоне расстояний R12=(1÷5) сильная корреляция (К12=0.75÷0.83) связана с взаимным влиянием антенн. При расстоянии свыше 10 К12<0.25, откуда следует вывод о независимости вносимых атмосферой Земли погрешностей в этом случае.

Информация, заключенная в RINEX-файлах, позволяет определить вариации радиальной скорости НС относительно приемников. На рис.16 приведены усреднённые по всем спутникам, находящимся в зоне приёма сигнала, относительные ошибки (в %) их радиальной скорости. Видно, что относительные ошибки при расстоянии 5 не превышают 0,5%, для всех других - более 1%. Эти результаты согласуются с теоретическими оценками погрешности измерения радиальной скорости. Действительно, при генерации информации в RINEX-файле с частотой 1 Гц, погрешность определения есть:

, (27)

где - псевдодальности, измеренные приемниками №1,2. При известных ошибках измерения псевдодальности погрешность определения не превышает 2%. Относительная ошибка, представленная на рис.16, рассчитывалась как , и для R12=5 (коррелированные погрешности) не превышает 1%.

В Приложениях приведены параметры ОКП, правые части моделирующих уравнений, описывающих систему лионосфера-плазмосфера, функциональные множители, используемые при описании взаимодействия НЧ волн с ОКП, листинги программ прямого и обратного преобразования координат из декартовой системы в систему WGS-84, из системы СК-42 в систему WGS-84.

В Заключении говорится, что цель диссертационной работы достигнута, а проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:

В качестве инструмента компенсации ионосферных погрешностей ССН разработана модель системы лионосфера-плазмосфера на основе численного решения системы гидродинамических уравнений, в которой учтены процессы взаимодействия НЧ волн с ОКП;
На основе разработанной модели системы лионосфера-плазмосфера проведены расчеты возмущений ПЭС в средне- и высокоширотной ионосфере, оценено их влияние на качество навигационного обеспечения ВС;
Предложены новые механизмы раскачки НЧ волн в ОКП с интенсивностью, которая может привести к сбоям навигационного обеспечения ВС ГА при использовании европейско-российской ДПС Eurofix;
Исследован процесс комбинационного рассеяния сигналов спутниковых радионавигационных систем в высокоширотной ионосфере. Показано, что данный процесс приводит к высокой вероятности сбоев в навигационном обеспечении ВС ГА, использующих одночастотные приемники ССН в качестве основного средства навигации;
Разработана и апробирована методика применения одночастотного ПО для определения ионосферных погрешностей ССН GPS. Получено экспериментальное подтверждение существования нерегулярных вариаций ПЭС, влияющих на качество навигационного обеспечения ВС ГА. Обнаружено новое свойство ионосферы - наличие в ней крупномасштабных периодических вариаций ПЭС с частотами 3 ÷ 5 миллигерц и определено их возможное влияние на навигационное обеспечение ВС ГА;
По результатам экспериментального исследования качества приема сигналов ССН двумя одночастотными приемниками определено оптимальное расстояние между антеннами приемников на борту ВС.

Публикации по теме диссертации

Горбачев О.А., Коников Ю.В., Хазанов Г.В., Сидоров И.М. О численном моделировании теплового режима ионосферы и плазмосферы Земли. Пятый межд. симпозиум КАПГ. Тез. докл. Мурманск, 1989, с. 176.
Горбачев О.А., Коников Ю.В., Хазанов Г.В., Сидоров И.М. Учет уравнений переноса для теплового потока при моделировании ионосферно-плазмосферных взаимодействий. Десятый семинар по моделированию ионосферы. Тез. докл. Казань, 1990, с.31.
Горбачев О.А., Трухан А.А. Вопросы надежности работы радионавигационных систем при наличии естественных источников ОНЧ-излучения околоземной плазмы. XIII Научная конференция ученых ИрГТУ. Тез. докл. Иркутск, 2004, с.113.
Горбачев О.А., Иванов В.Б., Рябков П.В. О диагностике ионосферы с использованием одночастотных приемников GPS. Труды БШФФ. Секция Физика околоземного пространства. Иркутск, 2006, с.159-163.
Горбачев О.А., Иванов В.Б., Рябков П.В. О диагностике ионосферы с использованием одночастотных приемников GPS II. Труды БШФФ. Секция Физика околоземного пространства. Иркутск, 2007, с.102-105.
Горбачев О.А., Нечаев Е.Е. Диагностика среды распространения сигналов gps одночастотными приемниками. Труды 18-й Международной научно-технической конференции КрымиКо. Севастополь, 2008, с.886-887.
Горбачев О.А. Диагностика среды распространения сигналов gps одночастотными приемниками. Труды Международной научно-технической конференции: Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества. М:, МГТУ ГА, 2008, с.169.
Gorbachev O.A., Konikov Yu.V., Khazanov G.V. Anisotropy of plasma temperature caused by magnetospheric convection.//Phys.Sol.Terr.,Potsdam,1983,№20.
Горбачев О.А., Коников Ю.В., Хазанов Г.В. Анизотропия температур в плазмосфере Земли, вызванная магнитосферной конвекцией. //Геомагнетизм и аэрономия, 1984, т.24, №1, с.154.
Горбачев О.А., Коников Ю.В., Хазанов Г.В. Взаимодействие ионно-циклотронных волн с плазмосферными электронами. - Алтайский ун-т. Барнаул, 1986, 28с. Деп. В ВИНИТИ 22.06.88, №6554-1388.
Горбачев О.А., Коников Ю.В., Хазанов Г.В. Квазилинейный нагрев тепловых электронов при взаимодействии плазмосферы с кольцевым током. //Геомагнетизм и аэрономия, 1987, т.27, №4, 625.
Gorbachev O.A., Konikov Yu.V., Khazanov G.V. Quasilinear heating of electrons in the Earths plasmasphere. // Pure and Appl. Geophys, 1988, v.127, №2/3.
Горбачев О.А. Кольцевой ток: морфология, динамика, энергетика. - Иркут. Ун-т., Иркутск, 1989, 77с. // Деп. в ВИНИТИ 24.06.89, №4049-89.
Konikov Yu.V., Gorbachev O.A., Khazanov G.V., and Chernov A.A. Hydrodynamics equation for thermal electrons taking into account their scattering on the ion-cyclotron waves in the plasmasphere. // Planet.Space Sci., 1989, v.37, №10.
Горбачев О.А., Коников Ю.В., Хазанов Г.В. Уравнения переноса для тепловых электронов в области взаимодействия плазмосферы с кольцевым током. //Геомагнетизм и аэрономия, 1990, т.30, №2, c.200.
Горбачев О.А., Коников Ю.В., Хазанов Г.В. К расчету электронной температуры в системе ионосфера-плазмосфера. //Геомагнетизм и аэрономия, 1990, т.30, №3.
Gorbachev O.A., Konikov Y.V. Khazanov G.V. Sidorov I.M. Allowance for thermal flux variation in the model of ionosphere-plasmasphere interactions//Planet.Space Sci., 1991, v.39, №6.
Gorbachev O.A., Gamayunov K.V. Khazanov G.V. Krivorutsky E.N. A theoretical model for the ring current interactions with the Earths plasmasphere. //Planet.Space Sci., 1992, v.40, №6.
Горбачев О.А., Гефан Г.Д. Разлет и релаксация электронов в ионосфере при вспышке ионизирующего излучения.//Геомагнетизм и аэрономия, 1993, №2.
Горбачев О.А., Трухан А.А. Ионно-звуковая неустойчивость ионосферной плазмы, сопряженная с кольцевым током Земли. // Геомагнетизм и аэрономия, 1995, т.35, №4.
Трухан А.А., Горбачёв О.А. Механизм ионнозвуковой неустойчивости во внешней авроральной ионосфере. // Геомaгнетизм и аэрономия, 1997, №1.
Горбачев О.А., Трухан А.А. Особенности спектра некогерентного рассеяния радиоволн от внешней авроральной ионосферы. // Научный вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №61, 2003.
Горбачев О.А., Трухан А.А. Неустойчивость потока вторичных электронов над авроральной ионосферой как источник ОНЧ радиоизлучения. // Научный вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №62, 2004.
Горбачев О.А., Трухан А.А. Ионнозвуковая турбулентность ионосферы как источник ОНЧ радиоизлучения типа аврорального шипения. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №62, 2004.
Скрыпник О.Н., Горбачев О.А. Радионавигационные системы. - М.: МГТУ ГА, 2004, 70 с.
Горбачев О.А., Кобылкин Ю.И., Куйбарь В.И. Авиационное радиоэлектронное оборудование ЛА. - М.: МГТУ ГА, 2005, 77 с.
Горбачев О.А., Иванов В.Б., Рябков П.В. О возможности применения одночастотных приемников GPS для диагностики ионосферы.// Научный вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №107, 2006.
Горбачев О.А., Ерохин В.В., Пипченко И.П., Скрыпник О.Н. Радиотехнические системы ближней навигации и посадки. - М: МГТУ ГА, 2006, 184с.
Горбачев О.А., Назаренко Е.В. Системы связи гражданской авиации. - М.: МГТУ ГА, 2006, 157 с.
Горбачев О.А., Трухан А.А. Поглощение коротких радиоволн в авроральной ионосфере.// Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №117, 2007.
Горбачев О.А. Влияние высокоширотной ионосферы на рассеяние сигналов СРНС. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №117, 2007.
Горбачев О.А., Иванов В.Б., Рябков П.В. О возможности применения одночастотных приемников GPS для диагностики ионосферы (часть II). // Научный вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №117, 2007.
Горбачев О.А., Голованов И.Г., Кобылкин Ю.И., Мишин С.В. К вопросу о повышении безопасности полетов при использовании индикации на лобовом стекле воздушного судна. // Научный вестник МГТУ ГА, серия Авионика и электротехника, №115, 2007.
Горбачёв О.А., Нечаев Е.Е., Рябков П.В. О применении двух одночастотных приёмников GPS для воздушных судов гражданской авиации. // Научный вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №126, 2008.
Горбачёв О.А., Нечаев Е.Е., Рябков П.В. К вопросу о размещении одночастотных приёмников GPS на воздушных судах гражданской авиации. // Научный вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №126, 2008.
Горбачёв О.А. Вариации полного электронного содержания, обусловленные продольными токами в высокоширотной ионосфере. // Научный вестник МГТУ ГА, серия Навигация и УВД, №136, 2008.
Горбачёв О.А. Вариации полного электронного содержания с учетом влияния на систему лионосфера-плазмосфера магнитосферного кольцевого тока. // Научный вестник МГТУ ГА, серия Навигация и УВД, №136, 2008.

Авторефераты по всем темам >> Авторефераты по техническим специальностям

Blog