Вероятность превышения пороговых величин флуктуаций электронной концентрации при ионосферных возмущениях Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

вероятность превышения пороговых величин

«и* ___

флуктуации электронной концентрации при ионосферных возмущениях

Катков Константин Александрович, DOI 10.24411/2072-8735-2018-10115

ФГБНУ "Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр", г. Ставрополь, Россия, [email protected]

Пашинцев Владимир Петрович,

ФГБНУ "Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр", г. Ставрополь, Россия, [email protected]

Катков Евгений Константинович,

ФГБНУ "Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр", г. Ставрополь, Россия, [email protected]

Ключевые слова: спутниковые радионавигационные системы, размер ионосферных неоднородностей, искусственные возмущения ионосферы, вероятность возникновения частотно-селективных замираний, полоса когерентности трансионосферного канала.

Предметом исследования являются характеристики навигационных радиосигналов спутниковых радионавигационных систем в условиях возникновения искусственных ионосферных образований. Целью представленной работы является определение вероятности возникновения частотно-селективных замираний навигационных радиосигналов при ионосферных возмущениях, сопровождаемых возрастанием мелкомасштабных флуктуа-ций полного электронного содержания на трассе распространения радиоволн. Определены параметры, влияющие на ширину полосы когерентности трансионосферного канала связи. С помощью компьютерного моделирования определен диапазон изменения условного размера ионосферных неоднородностей в случае возникновения искусственных ионосферных возмущений. Рассчитано влияние условного размера ионосферных неоднородностей на значение среднеквадратического отклонения флуктуаций полного электронного содержания в ионосфере в наклонной радиолинии. Установлена связь между полосой когерентности трансионосферного канала и условным размером ионосферных неоднородностей. По результатам компьютерного моделирования определены пороговые значения среднеквадратического отклонения (СКО) флуктуаций полного электронного содержания в наклонной радиолинии, при которой высока вероятность возникновения частотно-селективных замираний. Показано, что при увеличении условного размера ионосферных неоднородностей до сотен метров величина порогового значения СКО флуктуаций полного электронного содержания в наклонной радиолинии для пригоризонтного и зенитного случаев распространения радиоволн становится одинаковой. На примере измерений, проводившихся с помощью двухчастотного навигационного приемника, показан характер внезапного возрастания на несколько порядков величины СКО флуктуаций полного электронного содержания в случае ионосферных возмущений. В работе показано, что возникновение частотно-селективных замираний возможно уже при средних ионосферных возмущениях в случае пригоризонтного распространения радиоволн. Показано, что при сильных ионосферных возмущениях вероятность возникновения частотно-селективных замираний радиосигнала весьма высока. Вероятность возникновения частотно-селективных замираний рассчитана для различного уровня интенсивности ионосферных возмущений. Представлены соответствующие графики. Расчеты проводились для случаев зенитного и пригоризонтного распространения радиоволн. Данное исследование позволит уточнить алгоритм расчета поправок к навигационным измерениям, который будет использован в разрабатываемой информационной системе мониторинга ионосферы.

Информация об авторах:

Катков Константин Александрович, ФГБНУ "Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр", г. Ставрополь, ведущий научный сотрудник лаборатории информационных технологий, к.т.н., доцент,

Пашинцев Владимир Петрович, ФГАОУ ВО "Северо-Кавказский федеральный университет", г. Ставрополь, профессор кафедры информационной безопасности автоматизированных систем, д.т.н., профессор

Катков Евгений Константинович, ФГАОУ ВО "Северо-Кавказский федеральный университет", г. Ставрополь, аспирант кафедры информационной безопасности автоматизированных систем

Для цитирования:

Катков К.А., Пашинцев В.П., Катков Е.К. Вероятность превышения пороговых величин флуктуаций электронной концентрации при ионосферных возмущениях // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2018. Том 12. №7. С. 19-28.

For citation:

Katkov К.А., Pashintsev V.P., Katkov E.K. (2018). The probability of exceeding threshold values of fluctuations of the electron concentration at ionospheric disturbance. T-Comm, vol. 12, no.7, pр. 19-28. (in Russian)

Известно [1-4], что радионагрев ионосферы мощным коротковолновым излучением может привести к возникновению искусственного ионосферного образования (ИИО). Характерной особенностью ИИО является появление интенсивных неоднородностей электронной концентрации (ЭК) различных масштабов. Размер ионосферных неоднородностей варьируется в очень широком диапазоне: от 0,1 м до нескольких сотен километров и заранее неизвестен. Наибольшее влияние на изменение условий трансионосферного распространенна радиоволн оказывают флуктуации ЭК (ДД|Г} в мелкомасштабных неоднородностях. Они обуславливают проявление рассеивающих свойств ионосферы и возникновение замираний принимаемых сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС). Замирания навигационных радиосигналов (НРС) могут носить как общий характер (райсовский или рэлеевский), так и частотно-селективный. Частотно-селективные замирания (ЧСЗ) радиосигналов возникают при возмущениях ионосферы (например, ИИО), сопровождаемых ростом флуктуации ЭК ( AN(hm) = ANm) в мелкомасштабных неоднородностях на

Высоте максимума ионизации h-hm. Они обуславливают возрастание флуктуации полного электронного содержания (ПЭС) в ионосфере ANj~ANm на трассе распространения

радиоволн от навигационного космического аппарата (НКА) через ИИО до наземного приемника. Это вызывает сужение полосы когерентности (AF^ -\jANj ) трансионосферного

канала связи, обусловленной рассеивающими свойствами ионосферных неоднородностей. Современные СРНС используют широкополосные НРС с шириной спектра Д/\) — 10 МГц. Поэтому сужение полосы когерентности трансионосферного канала связи до значений, меньше ширины спектра сигнала (т.е. ДF < AF0 = 10 МГц), будет приводить к возникновению ЧСЗ принимаемых НРС,

Известно [4|, что точность местоопределения в СРНС может существенно (на порядки) снижаться при возникновении ЧСЗ даже в одной радиолинии измерения псевдодалыюстей. Следовательно, вопрос определения вероятности возникновения ЧСЗ в радиолиниях СРНС является весьма актуальным. Ранее, в работе [5] было предложено создать информационную систему мониторинга ионосферы, в которой осуществляется измерение полосы когерентности трансионосферного канала. Эта процедура трудоемка, так как предполагает постоянное разделение всех принимаемых НРС на частотные составляющие. Очевидно, что целесообразно проводить такие измерения только для тех сигналов, которые проходят через ИИО с флуктуациями ЭК, превышающими некоторые пороговые значения и вызывающие ЧСЗ.

Целью статьи является определение вероятности возникновения ЧСЗ навигационных радиосигналов при ионосферных возмущениях, сопровождаемых возрастанием мелкомасштабных флуктуации ПЭС и ИИО на трассе распространения радиоволн.

Постановка задачи

Пусть в F-слое ионосферы возникает локальная область ИИО, где наблюдается возрастание средпеквадратического отклонения (стддг) флуктуации ЭК {Д(V ) в мелкомасштаб-

ных неоднородностях. Размер возникающих мелкомасштабных неоднородностей в ИИО является случайной величиной, характеризуемой минимальным (¿,„) и максимальным

{ Lq ) масштабами. Зенитный угол НКА принимает значения

в диапазоне0 ...85^. Требуется определить среднеквад-ратическое отклонение (СКО) мелкомасштабных флуктуации ПЭС на трассе наклонной радиолинии (одд.- ), проходящей через ИИО, и вероятность превышения порогового значения (<Тд^7. i> ), характеризующую вероятность

возникновения ЧСЗ в радиолинии.

Параметры ионосферных возмущений

Степень возмущений ионосферы характеризуется {6] изменением двух физических параметров; I) максимального

значения средней ЭК ( Nm - 1011 -И О14 эл/м3); 2) интенсивности мелкомасштабных неоднородностей (/3 = 10 -=-1

). Их произведение определяет СКО флуктуации ЭК в мелкомасштабных неоднородностях ионосферы на высоте мак-

I * \0,5 _ симума ионизации <riV =(AN(hm)) = //;V,„ [6, 7|. Принято различать следующие состояния ионосферы [6]; нор-

0 I ()

мальпая (criV=2-10 эл/м ); слабовозмущен-

1 I Я

ная (<7дд- <2-10 эл/м ); средневозмущенная

(оду<2-101" эп/м3); сильновозмущенная (о-д.у >2-1012 эл/м3).

При транс ионосферном распространении НРС увеличение СКО флуктуаций ЭК в неоднородностях ионосферы (<7дд/) приводит к росту СКО флуктуаций фазового фронта волны на выходе ионосферы [7-9] (7 v =(80,8^(7^/1:/;, )х

,-, (О

xV(A)An f К sec 0 Г (р/2 -1/2)/л[лГ (р/2-1) где 80,8 - коэффициент с размерностью [м3/с ]; с - скорость света (З-iO* м/с); /0 - несущая частота НРС [Гц]; Цу Lm - максимальный и минимальный масштабы ионосферных неоднородностей; — эквивалентная толщина

ионосферы (-5*10^ м ); р - фазовый спектральный индекс; Г(л'} - гамма-функция.

Значение фазового спектрального индекса 1,7 < р< 1 характеризует нормальную, или естественновозмущенную ионосферу. При искусственных возмущениях ионосферы (ИВИ) величина р может возрастать до значений 3 < р < 6 [9, 10]. При этом изменение величины р от 3 до 6 влияет на изменение вф незначительно [8]. Более существенное

влияние оказывают размеры (¿у, Lm) ионосферных неоднородностей, Для совместной оценки их влияния на (Уф введем понятие условного размера ионосферных неоднородностей Ljj = ^JZqL~ .

у

При сильновозмущенной ионосфере значения Оддг достигают значений сгщ. одду >8■ 101 ^ эл/м2 и

стддг^ > I О16 эл/м2 для = 50; 100; 400 м соответственно.

На рисунке 16 те же зависимости приведены для пригори юн гн о го НКА {в =85°). Анализ этих ¡рафиков показывает, что увеличение размера ¿у ионосферных неоднород-

иостей и зенитного угла 0 приводит к росту СКО флуктуа-цийПЭС(сгду7.).

Полоса когерентности трансионосферного канала связи (Д/^) связана с СКО флуктуаций фазового фронта ($ )

обратно пропорциональной зависимостью [6]

М.----(3)

Щ =

7tpS

AFt =

2/о}с

80,8^^2(1+^/2)

(6)

приема сигналов в спутниковых радиосистемах С РошЯИ1=Ю-5) имеет- вид < 0,1 -

Таким образом, положив Д/^ =Д^/0,1, МОЖНО из выражения (6) найти пороговое значение величины СКО флуктуаций ПЭС в ионосфере в наклонной радиолинии ((т"0Я ),

ДЛ/у

при котором могут возникнуть ЧСЗ принимаемого НРС ■2

„пор __О* 2/р с____^

ЛД' 80,8 ttAFq Ml+dffy

где dt - параметр, учитывающий нарастание дифракционных эффектов во фронте волны по мере ее распространения на пути г внутри ионосферы {с эквивалентной толщиной /L

) и за ней в свободном пространстве до приемника при вертикальном распространении (-600 км)

d\ =[bz23zh3 +Лэ)с2 sec2 0, (4) С учетом (2) выражение (1) для можно записать в виде [5]

0>s = 80, вжтду^/с/о (5)

Тогда выражение (3) с учетом (5) примет вид

В выражение (7) входит коэффициент d\ , в составе которого присутствуют заранее неизвестные значения условного размера ионосферных неоднородностей (Ьу).

Коэффициент ¿У]", кроме величины Ьц, зависит от зенитного угла (0 ). Подставив в выражение (7) параметры НРС: /р = 1,6 ГГц и Д/<л = 10 МГц, получим зависимость

порогового значения ст"^' от условного размера неоднородностей ¿и (рис. 2) для зенитного и пригоризонтного

НКА. Анализ выражения (7) и графиков на рис. 2 показывает, что при возникновении ионосферных возмущений величина <тдд,у достигает своих пороговых значений быстрее в

случаях, когда условный размер ионосферных неоднородностей (¿¡у ) минимален и составляет десятки метров.

При этом для зенитного и пригоризонтпого НКА значения пороговой величины сг'7.0!! при размере ионосферных

ДГчг

неоднородностей Ьг -50м отличаются на порядок:

Согласно [6| уточненное условие отсутствия влияния ЧСЗ на достижение допустимой вероятности ошибочного

ЧУ

о** »1,7- !016 эл/м2 (для

<Т?Р »2,3 -ю'5 эл/м2 (для 0 = 85°).

0-0°)

эл/м "

_4.J-a-l.4_.

■ Е Е Е Е Е Е ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ Е'Е ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ

■

ю

10

--Г~Г т

4J>

Рис.

2. Зависимость порогового значения сг'^! от размера ионосферных неоднородностей

,эл/м2

" ---- .-.—.1 --Т-.--г-."— • ™—■—Г-

--------------------- Г'

—

а)

17JT- -

,0"гт

......................___________

10*

kj, м ------

--------------

J---4- — — 4- — —I— — 1— — I— —I---------- I 1 1 .....

hum шшшп10шшцш!ш

.-Пороговое значение

---Средние ВЦ

-—-Сильные ВЦ

Г u

Ц], М

Рис. 3. Зависимости порогового значения Сд у. 11 °'а1\'т пРи средних и сильных возмущениях ионосферы

от размера ионосферных неоднородностей

С увеличением размера неоднородностей эта разница Снижается и практически отсутствует, когда величина ¿¿у

достигает значений Ьц >300 М , а значение пороговой величины становится равным <у'1"Л » 2,1 ■ 1016 эл/м" -

Проведенное исследование показывает, что пороговое значение а\Я является величиной переменной, зависящей

от размера ионосферных неоднородностей. Наибольшую опасность в плане возможности возникновения ЧСЗ радиосигналов СРНС будут представлять мелкомасштабные ионосферные неоднородности небольшого (порядка десятков метров) размера. Данные, представленные на рис, 2, позволяют утверждать, что для НРС, имеющих ширину спектра

Д/^ =10 МГц, пороговое значение , при котором

возможно наступление ЧСЗ, лежит в диапазоне

</1°Р = 2,3-Ю15 + 2,1-Ю16 эл/м2.

Данные рис. 1 и 2 показывают, что при слабых возмущениях ионосферы (ВИ) величина <Тдд,у не достигнет своих

пороговых значений, при которых возникают ЧСЗ принимаемых НРС. Другими словами, возникновение ЧСЗ возможно при сильных и средних ВИ. Рассчитаем зависимости СКО флуктуации ПЭС ((Тдду ) от условного размера неоднородностей (¿[/) в соответствии с (3). Затем поместим на графики рис. 2 зависимости Сдду (Ц ;) при средних и сильных ВИ. Для наглядности представим отдельно случаи зенитного и пригоризонтного НРС (рис. 3),

При расчете зависимостей = ц/(Ьц) величина

СКО флуктуации ЭК а мелкомасштабных неоднородпостях

I I 1

ионосферы (<Тду) принята равной сгддг = 9-10" эл/м

для ВИ средней интенсивности и <Туу =1,1-10 эл/м'1 -

для сильных ВИ.

Анализ графиков на рисунке 3 показывает, что в случае, когда в ИИО попадает НРС от зенитного НКА (рис. За), наступление ЧСЗ возможно только при сильных ВИ. Если в ИИО попадает ПРС от пригоризонтного ПКЛ (рис. 36), то величина сгддг может превысить свое пороговое значение

уже при ионосферных возмущениях средней интенсивности.

Вероятность возникновения ЧСЗ сигнала

Ионосферные возмущения могут иметь внезапный характер. Такие возмущения возникают при воздействии на ионосферу источников импульсного характера. Это может быть обусловлено как естественными причинами (внезапная вспышка на Солнце), так и искусственными (аварии техногенного характера, запуски ракет, взрывы и т.д.). Длительность ионосферных возмущений, обусловленных этими процессами, может составлять несколько минут, а их амплитуда может превышать фоновый уровень на несколько порядков.

На рисунке 4 показан полученный с помощью двухчас-тотного приёмника NovAtel GPS-6 ряд вариаций ПЭС в среднеширотпой ионосфере с небольшими естественными возмущениями ПЭС на радиотрассе [16]. Наблюдения проводились в период с 11:30 до 12:30. Анализ данных на рис. 4, показывает, что в интервале с 11:52 до 12:05 наблюдаются существенные вариации ПЭС со средним периодом менее 1 минуты, характерным для мелкомасштабных неоднородностей ионосферы.

При этом СКО флуктуации Г1ЭС достигала значений

ащ.~0,1ТЕСи= 1015эл/м2 {так как 1 7ЕШ = ю'6 эл/м2),

что согласно данным рис. I соответствует слабым естественным НИ, вызванным солнечной активностью. 11ри сильновозмущенной ионосфере в ИИО величина СКО флуктуации ПЭС (рисунок 1) может возрастать на три порядка и достигать значений

18 2

амг\00ТЕСи -10 эл/м , что может привести к возникновению ЧСЗ. Поэтому определение вероятности возникновения ЧСЗ в случае ионосферных возмущений в ИИО является актуальной задачей.

Рис. 4. Ряд вариаций ПЭС, полученный а результате измерений

Согласно [6] значение флуктуации ПЭС в наклонной радиолинии ( ANf ) является случайной величиной, распределенной но нормальному закону с математическим ожиданием m(ANj)- 0 и СКО Одду . Рассчитанное выше значение пороговой величины СКО флуктуаций ПЭС в ионосфере

() является числовой характеристикой случайной ве-

д/v^

личины ANf, при которой возможно наступление ЧСЗ принимаемых НРС.

Выше было показано, что наступление ЧСЗ при слабых ВИ, когда величина СКО флуктуаций ПЭС в радиолинии

принимает значения сгдуу = 6-101'' 4-8' Ю14 эл/м", ма-

же самое

мальному закону е математическим ожиданием m(AN г) = 0 и следующими значениями СКО:

i0

для

0-0"

сильных

ВИ

&Шт ~

aANT ~

6■ 1015; 8-Ю15; 1,7-1016; 3-Ю16] эл/м2;

для

0 = 85

0

средних

ВИ

1,2-ю'6; 1,810!6; 31016; 4-I016

2

эл/м ;

для

0 = 85°

4,3-Ю16; 5,2-1016; 7-1016; 9,2-1016

сильных ВИ эл/м2 •

Если значение Д/У^- превышает пороговое значение ДЛ> > Д(АМТР = <уТТ ), то в радиолинии выполняется условие возникновения ЧСЗ. Вероятность возникновения ЧСЗ определяется выражением [17]

Р (ANT > ANnTop) = 1 ■- Р (ANT < ÁN™P) =

= 1-1ф

2

ANj°p~m{ANT)

(8)

где Ф(л') — функция Лапласа.

Результаты компьютерного моделирования представлены на рис. 5, 6 и 7. По горизонтальной оси отложены пороговые

значения АА'^"1' в соответствие с данными рис. 2. Для зенитного НКА величина порогового значения изменяется в пределах = 8,8«1015 +2,1 -1016:>л/м2 (рис. 5), для

,16

эл/м

ловероятно, В этом случае сг^ > (Тду^ ■ То можно сказать о возмущениях средней интенсивности, когда

в ИИО попадает НРС зенитного (0 - О^1) НКА (рис, I). Таким образом, наступление ЧСЗ возможно в случае сильных ВИ, а в случае пригоризонтного НКА также при возмущениях средней интенсивности.

Определим вероятность превышения случайной величины ANf пороговых значений ~ > ПРИ которых

возможно наступление ЧСЗ принимаемых НРС при различной степени ионосферных возмущений.

Было проведено компьютерное моделирование, имитирующее возникновение средних и сильных ВИ. Значение условного размера неоднородностей принималось равным Ьц =[50; 100; 400; 1000] м. Значение флуктуации

ПЭС в наклонной радиолинии (ДЛ^) распределено по нор-

пригоризонтного - АА'™Р = 8,4-10 ч-2,1 ■ 10 (рис. 6 н 7).

В случае, когда через возмущенную ионосферу проходит

НРС от зенитного НКА (0 = О1)), возникновение ЧСЗ возможно только при сильных ВИ.

При этом вероятность их возникновения достаточно велика и принимает значения ^ Д^о,р| = 0)45...0^

"Ри егдлу = з-1016 эл/м2 И р(длу>дд^) = 0,2...0,6 при стддг^ =1,7-10 эл/м (рис. 5). При более низких

значениях егдд^ = [б-1015; 8-Ю15

возникновения

ЧСЗ

не

P{ant >ДЛ/"°'')<0,3-

эл/м вероятность превышает значения

При ионосферных возмущениях средней интенсивности вероятность возникновения ЧСЗ не превышает значений

р[АМт > АА''^ор | = 10~2 (на рис. 5 не показана).

В случае при гор изо нтн ого распространения НРС

(0 = 85°) возникновение ЧСЗ возможно уже при средних ВИ (рис. 6).

у

В этом случае вероятность возникновения ЧСЗ может достигать значений р( ANT > ANj°p J = 0,5...0,98 при

,16

1,5-1015; ЗПО16; 4-1016 эл/м2 и небольших размерах неоднородностей (¿ц < 100 м ), когда пороговое значение AN"op <t016 эл/м2 .

В случае, когда величина Одду <1016 эл/м2, вероятность возникновения ЧСЗ также высока для небольших размеров неоднородностей { Ljj < 80 м ), когда пороговое значение ANj°p < 6 ■ 1015 эл/м~ . Затем значение вероятности

возникновения ЧСЗ резко снижается, достигая значений близких к нулю при условном размере неоднородностей Ly > 300 м .

При сильных ионосферных возмущениях и пригоризонт-ном распространении [IPC вероятность возникновения ЧСЗ очень высока и при любых размерах ионосферных неоднородностей превышает значение

(рис. 7).

При небольших размерах неоднородностей (Ьц <100 м) вероятность возникновения ЧСЗ близка к единице: P^ANj- > ANnTopy 0,83...0,99.

Заключение

На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы. Ширина полосы когерентности трансионосферного канала (ДF^ ) зависит от параметров I IPC,

СКО флуктуации ПЭС в ионосфере (стддг ), условного размера ионосферных неоднородностей (Ly) и угла наклона

радиотрассы (0 }. Пороговое значение о"^f , при котором

возможно возникновение ЧСЗ принимаемых НРС, также зависит от Ljj и угла 0 . При этом данное пороговое значение в большей степени зависит именно от размеров ионосферных неоднородностей. С увеличением размера неоднородностей Ьц > 300 м значение пороговой величины

<т"А°Р для пригоризонтного и зенитного НКА равны. Вели в ионосфере возникают ионосферные неоднородности небольшого размера (-101 м ), то значение СКО флуктуаций ПЭС в ионосфере достигает своего порогового значения

(a) быстрее, чем при ионосферных неодпород!гостях с an j

2

размерами — 10" м , Вероятность возникновения ЧСЗ в радиолинии определяется вероятностью превышения величины флуктуаций ПЭС своего порогового значения

P^ANj

при котором возможно сужение полосы когерентности до величины ДFj. = AFq j0,1 (при этом поро-

говое значение АМ"ор = )- В случае слабовозмущенной ионосферы вероятность возникновения ЧСЗ близка к нулю. В случае средних ВИ наступление ЧСЗ возможно для пригоризонтных НКА. В случае сильных ионосферных возмущений с высокой степенью вероятности возможно наступление ЧСЗ при любых условных размерах ионосферных неоднородностей и для всех значений зенитного угла.

Проведенной исследование показывает, что определение размеров ионосферных неоднородностей при возникновении ИИО является актуальной задачей. Определение пороговых значений флуктуаций ПЭС позволит в случае возникновения ИИО выбирать из всей совокупности НРС «подозрительные» сигналы и только в этих радиолиниях проводить измерения полосы когерентности (Д/^). Полученные в данной

работе результаты позволяют уточнить алгоритм работы информационной системы мониторинга ионосферы, предложенной в работе [5, 18, 19]. Данная система позволяет вычислять корректирующие поправки к измерениям в СРНС в случае возникновения ионосферных возмущений.

Литература

1. Лобанов Б.С. Исследование возможности создания в ионосфере объемных образований, эффективно взаимодействующих с электромагнитным излучением а сверхшироком диапазоне частот // Теория и техника радиосвязи. 2009. №3. С, 16-24.

2. Паишнцев В.П.. Коваль С.А., Стрекозой ВН.. Бессмертный МЮ. Обнаружение искусственных ионосферных образований с помощью спутниковых радионавигационных систем //Теория it техника радиосвязи. 2013. №1. С, f 12-116.

3. Katkov КА„ Pashmbev VP., Kaikov E.K.. Gahova N.N.. Gahov R.P.. TitovA.I. Forecast accuracy of determining pseudo range in satellite navigation system through analysis of" data from ionosphere monitoring II Journal of Fundamental and Applied Sciences. 2017. № 9(1S), pp. 899-913. URL: http://www.jfas.info.

4. Паишнцев В.П., Каткое, К.А., Гахов Р.П.. Мачофей О.П., Шевченко В.А. Спутниковая навигация при ионосферных возмущениях. Ставрополь: Изд-во СевКавГТУ, 2012. 259 с.

5. Катков К А., Паишнцев В. П., Катков Е.К, Информационная система мониторинга ионосферы II Известия Самарского научного центра РАН. 2016. Том 18. №2(3). С. 907-912.

6. Маслов О Н.. Нашшщев В.II. Модели трансионосферных радиоканалов н помехоустойчивость систем космической связи. Приложение к журналу «Инфокоммуникационныс технологии». Выпуск 4. Самара: ПГАТИ, 2006. 357 е.

7. Паишнцев В.П.. Солчатов М.Э., Гахов Р.П. Влияние ионосферы на характеристики космических систем передачи информации: Монография. М: Физматлит, 2006. I 84 с.

8. Катков К.А.. Паишнцев В,П., Катков Е.К. Влияние параметров возмущенной ионосферы на ошибку слежения за фазой навигационного радиосигнала // Современная наука и инновации. 2016. №2(14). С. 52-64.

9. Rino C.L. A power law phase screen model for ionospheric scintillation, I, Weak scatter, Radio Sci., 14(6). 1979, pp. 1135-1145,

10. Паишнцев ВН.. Солчатов М.Э., Спирин A.M., Катков К.А. Оценка погрешности измерении пСевдОдальности в спутниковых радионавигационных системах при возмущениях ионосферы в слое F // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2007. Том 10. №6. С. 8-13.

11 Блаунштейи N.. Пулинец С.А.. Коэн Я. Расчет основных параметров радиосигналов в канале спутник - Земля при распространении через возмущенную ионосферу // Геомагнетизм и аэрономия, 2013. Т. 53. №2. С 215-227.

12. Пашинцее В.П.. Читка А.Ф.. Цимбал В.А.. Песков М.В. Комплекс определения области ионосферыс мелкомасштабными неоднородностями по данным GPS-мониторинга // Известия Самарского научного центра РАН. 2016. Том 18. №2(3). С. 941-945.

13. Богуш Р.Л.. Джулиано Ф.У.. Пени Д.Л. Влияние частотно-селективных эффектов распространения радиоволн на автоматическое слежение за сигналом в приемниках широкополосных систем связи //ТИИЭР. 1981. Т.69. №7, С.21-32.

14. Богуш Р.Л.. Джулиано Ф.У., Нет Д.Л. Чаетотно-селективпные замирания и их коррекция методом решающей обратной связи высокоскоростных спутниковых каналах связи // ТИИЭР. 1983. Т.71. №6. С.78-94.

15. Гельберг М.Г. Неоднородности высокоширотной ионосферы. Новосибирск: Наука, 1986. 193 с.

16. Пашинцее В.П.. Песков М.В.. Смирнов В.М.. Смирнова Е. В..

Тын ян кии С. И. Методика выделения мелкомасштабных вариаций полного электронного содержания ионосферы по данным трапе ионосферного зондирования // Радиотехника и электроника. 2017, Т.62. №12. С. 1182-1189.

17. Вентцеяь Е.С. Теория вероятностей: Учеб. для вузов. - 6-е изд. стер. М.: Высшая шк., 1999. 576 с.

18. Катков К.А. Совершенствование навигационной аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем для использования в условиях искусственных возмущений ионосферы II Информационные системы и технологии. 2011. № I (63). С. 5-14.

19. Слюсарев Г.В.. Анашкин Р.В., Катков К.А.. Пашинцее В.П. Устройство определения степени частотно-селективных замираний навигационных радиосигналов спутниковых радионавигационных систем. Патент на полезную модель RUS 93525 от 02.12,2009.

THE PROBABILITY OF EXCEEDING THRESHOLD VALUES OF FLUCTUATIONS OF THE ELECTRON CONCENTRATION AT IONOSPHERIC DISTURBANCE

Konstantin A. Katkov, The North Caucasus Federal agricultural research center, Stavropol, Russia, [email protected] Vladimir P. Pashintsev, The North Caucasus Federal University, Stavropol, Russia, [email protected] Eugene K. Katkov, The North Caucasus Federal University, Stavropol, Russia, [email protected]

Abstract

The subject of the research is characteristics of navigation radio signals of satellite radio navigation systems in the conditions of artificial ionosphere formations. The aim of the present work is to determine the probability of occurrence of frequency-selective fading of navigational radio signals in ionosphere disturbances, accompanied by an increase in small-scale fluctuations of the total electronic content on the route of radio wave propagation. The parameters influencing the coherence band width of the transionospheric communication channel are determined. With the help of computer simulation is used to determine the range of variation of the relative size of the ionosphere discontinuity in the event of artificial ionosphere disturbances. Calculated the influence of the relative size of the ionospheric irregularities on the standard deviation of the fluctuations of the total electron content in the ionosphere in a slant link. The connection between the coherence band of the transionospheric channel and the conditional size of ionospheric inhomogeneities is established. Based on the results of computer simulation, the threshold values of the Mean square deviation (MSD) of fluctuations of the total electron content in the inclined radioline are determined, in which the probability of occurrence of frequency-selective fading is high. It is shown that the increase of the relative size of the ionospheric irregularities to hundreds of meters, the magnitude of threshold MSD fluctuations of the total electron content in an inclined radio for prioritetnyh-cases of propagation is the same. By the example of measurements carried out with the help of a two-frequency navigation receiver, the character of sudden increase by several orders of magnitude of MSD fluctuations of the total electron content in the case of ionospheric disturbances is shown. It is shown that the occurrence of frequency-selective fading is possible already at the average ionospheric disturbances in the case of spontaneous propagation of radio waves. It is shown that with strong ionospheric disturbances, the probability of occurrence of frequency-selective fading of the radio signal is very high. The probability of occurrence of frequency-selective fading is calculated for different levels of intensity of ionospheric disturbances. Corresponding graphs are presented. Calculations were carried out for the cases of vertical and horizontal propagation of radio waves. This study will clarify the algorithm for calculating corrections to navigational measurements, which will be used in the developed information system of ionosphere monitoring.

Keywords: satellite radionavigation systems, the size of ionospheric inhomogeneities, artificial disturbances of the ionosphere, the probability of occurrence of frequency-selective fading, the coherence band of the transionospheric channel.

References

1. Lobanov B.S. (2009). Investigation of the possibility of creating in the ionosphere three-dimensional formations effectively interacting with electromagnetic radiation in the ultra-wide frequency range. Teoriya i tekhnika radiosvyazi, no. 3, pp. 16-24.

2. Pashintsev V.P., Koval S.A., Strekozov V.I. and Bessmertniy M.J. (2013). Detection of artificial ionospheric formations using satellite radio navigation systems. Teoriya i tekhnika radiosvyazi, no. 1, pp. 112-116.

3. Katkov K.A., Pashintsev V.P., Katkov E.K., Gahova N.N., Gahov R.P. and Titov A.I. (2017). Forecast accuracy of determining pseudo range in satellite navigation system through analysis of data from ionosphere monitoring, Journal of Fundamental and Applied Sciences, no. 9(1S), pp. 899-913, URL: http://www.jfas.info.

4. Pashintsev V.P., Katkov K.A., Gahov R.P. Malofey O.P. and Shevchenko V.A. (2012). Sputnikovaya navigaciya pri ionosfernyh voz-mushcheniyah [Satellite navigation under ionosphere disturbances], NCSTU, Stavropol, Russia.

5. Katkov K.A., Pashintsev V.P. and Katkov E.K. (2016). Information system of monitoring of the ionosphere. Izvestiya Samarskogo nauchnogo centra RAN, vol. 18, no 2(3), pp. 907-912.

6. Maslov O.N. and Pashintsev V.P. (2006). Modeli transionosfernyh radiokanalov i pomekhoustojchivost' sistem kosmicheskoj svyazi [Models of transionospheric radio channels and noise immunity of space communication systems], PSATI, Samara, Russia.

7. Pashintsev V.P., Solchatov M.E. and Gahov R.P. (2006). Vliyanie ionosfery na harakteristiki kosmicheskih sistem peredachi informacii: Monografiya [Influence of ionosphere on characteristics of space systems of information transmission: Monograph], Moscow: Fizmatlit.

8. Katkov K.A., Pashintsev V.P. and Katkov E.K. (2016). Influence of parameters of the disturbed ionosphere to the error tracking phase, navigation radio-signal. Sovremennaya nauka i innovacii, no. 2(14), pp. 52-64.

9. Rino, C. L. (1979). A power law phase screen model for ionospheric scintillation. Weak scatter Radio Sci., vol.1, no. 14(6), pp. 1135-1145.

10. Pashintsev V.P., Solchatov M.E., Spirin A.M. and Katkov K.A. (2007). Assessment of measurement error in the pseudo range of satellite navigation systems when the disturbances of the ionosphere in the F layer. Fizika volnovyh processov i radiotekhnicheskie sistemy, vol. 10, no. 6, pp. 8-13.

11. Blaunshteyn N., Pulinec S.A. and Koen Ya. (2013). Calculation of main parameters of radio signals in the channel of the satellite -Earth during the propagation through the disturbed ionosphere. Geomagnetizm i aehronomiya, vol. 53, no. 2, pp. 215-227.

12. Pashintsev V.P., Chipiga A.F., Cimbal V.A. and Peskov M.V. (2016). The complex determining region of the ionosphere with small-scale inhomogeneities according to GPS monitoring. Izvestiya Samarskogo nauchnogo centra RAN, vol. 18, no 2(3), pp. 941-945.

13. Bogush R.L., Juliano F.U. and Nepp D.L. (1981). The influence of frequency-selective propagation effects of radio waves on an automatic tracking signal in receivers of broadband communication systems. TIIEHR, vol. 69, no. 7, pp. 21-32.

14. Bogush R.L., Juliano F.U. and Nepp D.L. (1981). Frequency-selective fading and their correction by the method of decisive feedback of high-speed satellite communication channels. TIIEHR, vol. 71, no. 6, pp. 78-94.

15. Gelberg M.G. (1986), Neodnorodnosti vysokoshirotnoj ionosfery [Inhomogeneity of the high-latitude ionosphere], Science, Novosibirsk, Russia.

16. Pashintsev V.P., Peskov M.V., Smirnov V.M., Smirnova E.V. and Tinyankin S.I. (2017). The technique of isolation of small-scale variations of the total electron content of the ionosphere according to the data of transionospheric sensing. Radiotekhnika i ehlektronika, vol. 62, no. 12, pp. 1182-1189.

17. Ventcel E.S. (1999). Teoriya veroyatnostej [Probability theory]. Moscow: Higher school, Russia.

18. Katkov K.A. (2011). Improvement of navigation equipment of consumers of satellite radio navigation systems for use in conditions of artificial disturbances of the ionosphere. Informacionnye sistemy i tekhnologii, no. 1, pp. 5-14.

19. Slyusarev G.V., Anashkin R.V., Katkov K.A. and Pashintsev V.P. Severo-Kavkazskij gosudarstvennyj tekhnicheskij universitet (2009), Ustrojstvo opredeleniya stepeni chastotno-selektivnyh zamiranij navigacionnyh radiosignalov sputnikovyh radionavigacionnyh system [Device for determining the degree of frequency-selective fading of navigation radio signals of satellite navigation radio navigation systems], Stavropol, Russia, Pat. 93525.

Information about authors:

Konstantin A. Katkov, Leading Researcher at the Laboratory of information technologies, The North Caucasus Federal agricultural research center, Stavropol, Russia

Vladimir P. Pashintsev, Professor of the Department Of information security of automated systems, The North Caucasus Federal University, Stavropol, Russia

Eugene K. Katkov, graduate student of the Department of information security of automated systems, The North Caucasus Federal University, Stavropol, Russia