В 10 раз точнее. Одночастотные навигационные приемники будут лучше определять количество электронов в ионосфере

Ученые определили, что способ кодирования радиосигналов AltBOC, с недавних пор используемый в европейской системе навигации Galileo и китайской BeiDou, позволяет в 10 раз точнее, чем раньше, определять концентрацию электронов в ионосфере Земли при использовании одночастотных навигационных приемников.

Наблюдения за ионосферой важны, поскольку содержащиеся в ней заряженные частицы влияют на качество работы спутниковых радиосистем. Таким образом, кодирование AltBOC может использоваться и для совершенствования отечественной системы ГЛОНАСС в задачах мониторинга ионосферы. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Sensors.

На высоте от 60 до 1000 километров над поверхностью Земли располагается ионосфера — область атмосферы, содержащая большое количество свободных носителей зарядов, электронов и ионов. Из-за этого при прохождении через нее радиоволны, преломляясь, отклоняются от изначального прямолинейного распространения, что вызывает дополнительные задержки распространения навигационных сигналов и в свою очередь может привести к ухудшению работы систем навигации. При этом концентрация заряженных частиц в ионосфере непостоянна — она зависит от множества факторов (воздействия Солнца, энергичных частиц солнечного ветра, состояния атмосферы) и может существенно меняться ото дня ко дню.

Глобальное распределение электронов в ионосфере. Источник: Юрий Ясюкевич.

Поэтому, чтобы учесть влияние ионосферы на работу навигационных спутниковых систем, нужно постоянно отслеживать изменения, которые в ней происходят. Для этого обычно используются устройства, способные принимать сигналы навигационных систем на двух или более частотах. Такие приемники, хотя и позволяют с высокой точностью оценивать концентрацию заряженных частиц в ионосфере, дорогие и требуют дополнительных методов учета межканальных задержек навигационных сигналов не только в своих приемных системах, но и в передающих системах навигационных спутников.

Из-за этого ученые ищут дополнительные способы наблюдать за ионосферой с помощью сигналов только на одной частоте. Одночастотные методы наблюдения за ионосферой применяются, например, в системах навигации GPS, ГЛОНАСС, Galileo и BeiDou, но обычно они недостаточно точны по сравнению с двухчастотными. Однако недавно европейская система Galileo и китайская BeiDou стали использовать новый способ кодирования радиосигналов, называемый AltBOC, который, положительно отразился на одночастотных измерениях.

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 способа кодирования сигналов AltBOC и с использованием традиционных методов кодирования BPSK и QPSK, которые ранее применялись в навигационных системах Galileo и BeiDou и до сих пор используются в GPS и ГЛОНАСС.

Ионосферные возмущения во время магнитной бури 10 мая 2024 г. Источник: Юрий Ясюкевич.

Изначально радиоволна представляет собой обычную синусоиду, которая не несет информацию. Чтобы закодировать с ее помощью данные, надо определенным образом изменить какие-то параметры волны, например, амплитуду, частоту или фазу. И в разных навигационных системах используются разные способы кодирования. Поэтому свойства получаемых сигналов отличаются, и необходимо найти такие, которые будут оптимальны для одночастотных ионосферных измерений.

• 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, в том числе GPS, ГЛОНАСС, Galileo и BeiDou. Такие данные предоставляются международной службой IGS, а также большим числом различных организаций в России и мире. Ученые выбрали наиболее современные приемники с максимальным набором функций для измерения характеристик сигналов. Разные комбинации дальномерных и фазовых измерений позволяют оценить полное электронное содержание — число электронов вдоль линии спутник-приемник. На основе этих данных исследователи моделировали различные ситуации: например, что будет, если регистрировать сигналы с разными характеристиками. В результате исследователи оценивали соотношение уровней сигнала и шума, а также качество ионосферных измерений для стандартных систем кодирования и новых AltBOC.

Томографическая высокоорбитальная реконструкция ионосферы. Источник: Nesterov and Kunitsyn / Advances in Space Research, 2011.

Исследование показало, что одночастотные методы оценки концентрации электронов в ионосфере с использованием кодировки AltBOC позволяют получать такое же качество данных, как при многочастотных измерениях. При этом традиционно используемые схемы кодирования BPSK и QPSK в одночастотном режиме дают на порядок худшие результаты из-за высокого уровня шумов измерений дальности. Такое значительное улучшение качества мониторинга ионосферы при использовании кодировки AltBOC связано с тем, что она позволяет значительно уменьшить уровень шумов при измерениях дальности за счет большей ширины полосы сигнала. Таким образом, полученные результаты показывают, что метод кодирования AltBOC может быть полезен и для отечественной навигационной системы ГЛОНАСС.

В дальнейшем нам предстоит исследовать, есть ли у новой системы кодирования недостатки при каких-то определенных условиях, иными словами, когда лучше использовать старые типы кодирования. Это важно понять, поскольку основная задача ГЛОНАСС — обеспечение точной навигации, на которую сложным образом влияет и способ кодирования, и условия измерения, например, городская застройка.

• Артем Падохин, кандидат физико-математических наук, доцент МГУ имени М.В. Ломоносова

Изображения предоставлены пресс-службой Российского научного фонда