RU2189052C2 - Technique detecting, measuring phase velocity and direction of arrival of ionospheric disturbance - Google Patents

Abstract

FIELD: remote control over nuclear and other explosions, over rocket launches, over seismic activity. SUBSTANCE: time series of complete electron content received with the aid of spatial lattice of double-frequency receivers of signals of satellite radio navigation systems GLONASS/GPS with size of aperture corresponding to far-field zone of source of disturbance are filtered to extract variations of complete electron content corresponding to response of ionosphere to action of source. Signals obtained after filtration are timeshifted by value Δτ_i, and are summed coherently to produce maximum amplitude of summary signal. Decision on detection of disturbance is made when summary signal exceeds threshold value and direction of arrival and value of phase velocity of disturbance wave are found from solving of system of equations describing in chosen system of coordinates a family of flat wave fronts remote one from another by distance determined by relative time shifts Δτ_i, of signals of individual receivers. EFFECT: enhanced detection sensitivity and precision in determination of direction of arrival of ionospheric disturbance. 2 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах дистанционного контроля ядерных и иных взрывов, предупреждения о запусках ракет, наблюдения за сейсмической активностью. The invention relates to radio engineering and can be used in remote control systems for nuclear and other explosions, missile launch warnings, and monitoring of seismic activity.

Известны способы наблюдения ионосферных возмущений, порождаемых антропогенными и естественными источниками, основанные на регистрации задержек сигналов спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS. С помощью нескольких приемников ГЛОНАСС/GPS осуществляют двухдиапазонные измерения задержек навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS, по измеренным задержкам определяют значение полного электронного содержания на трассе "приемник - навигационный искусственный спутник Земли". Производят фильтрацию рядов полного электронного содержания для отдельных приемников в выбранном диапазоне периодов колебаний и при наличии сигнала, превышающего заданный уровень, регистрируют возмущение, вызванное мощными наземными взрывами [1], запусками космического аппарата [2]. Данные способы отличаются низкой чувствительностью. Known methods for observing ionospheric disturbances generated by anthropogenic and natural sources, based on recording delays in the signals of satellite radio navigation systems GLONASS / GPS. Using several GLONASS / GPS receivers, dual-band measurements of the delays of GLONASS / GPS navigation signals are carried out; the measured total delays determine the value of the total electronic content on the track “receiver - navigation artificial Earth satellite”. Filter the series of total electronic content for individual receivers in a selected range of oscillation periods and, if there is a signal exceeding a given level, the disturbance caused by powerful ground explosions [1] and spacecraft launches [2] is recorded. These methods are characterized by low sensitivity.

Наиболее близким к решению поставленной задачи является способ определения направления прихода и скорости перемещения ионосферных возмущений различной природы, основанный на анализе данных о полном электронном содержании в ионосфере Земли [3]. Сущность его заключается в том, что с помощью решетки, состоящей из трех пространственно разнесенных двухчастотных приемников сигналов спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS получают временные ряды флуктуации полного электронного содержания в ионосфере Земли для линий "приемник - навигационный искусственный спутник Земли". В результате фильтрации рядов полного электронного содержания для отдельных приемников выделяют возмущения, содержащие отклик ионосферы на воздействие источника. При этом параметры движения фронта волны возмущений определяются по значениям взаимных задержек флуктуации полного электронного содержания, зарегистрированных в трех точках. В силу того что при указанном способе решение об обнаружении возмущения принимается по анализу сигнала каждого приемника отдельно, без учета информации двух других приемников, а для определения направления прихода волны возмущения используется минимально необходимое число приемников n= 3, способ-прототип характеризуется низкой чувствительностью обнаружения и недостаточной точностью измерения угла прихода сигнала, особенно при повышенном уровне ионосферной возмущенности. Closest to solving this problem is a method for determining the direction of arrival and the speed of movement of ionospheric disturbances of various nature, based on the analysis of data on the total electronic content in the Earth’s ionosphere [3]. Its essence lies in the fact that using a lattice consisting of three spatially separated two-frequency receivers of signals from the GLONASS / GPS satellite navigation systems, one obtains time series of fluctuations of the total electronic content in the Earth’s ionosphere for the receiver-navigation artificial Earth satellite lines. As a result of filtering the series of total electronic content for individual receivers, perturbations are identified that contain the response of the ionosphere to the source. In this case, the parameters of the motion of the perturbation wave front are determined from the values of the mutual delays of fluctuations of the total electronic content recorded at three points. Due to the fact that with this method, the decision to detect disturbances is made by analyzing the signal of each receiver separately, without taking into account the information of two other receivers, and the minimum number of receivers n = 3 is used to determine the direction of arrival of the disturbance wave, the prototype method is characterized by low detection sensitivity and insufficient accuracy of measuring the angle of arrival of the signal, especially with an increased level of ionospheric disturbance.

Целью изобретения является повышение чувствительности обнаружения и точности определения направления прихода ионосферного возмущения. В сравнении со способом-прототипом это достигается за счет того, что для реализации предложенного способа используется решетка с большим числом n (n >> 3) пространственно разнесенных наземных двухчастотных приемников сигналов спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS. Апертура решетки L выбирается таким образом, чтобы выполнялось условие дальней зоны

где
L - максимальное расстояние между приемниками;
R - предполагаемое расстояние до источника возмущения;
λ - длина волны возмущения [3, 4, 5].The aim of the invention is to increase the detection sensitivity and accuracy of determining the direction of arrival of the ionospheric disturbance. In comparison with the prototype method, this is achieved due to the fact that to implement the proposed method, a grating with a large number of n (n >> 3) spatially spaced ground-based dual-frequency receivers of GLONASS / GPS satellite radio navigation systems is used. The lattice aperture L is chosen so that the far-field condition is satisfied

Where
L is the maximum distance between the receivers;
R is the estimated distance to the source of the disturbance;
λ is the perturbation wavelength [3, 4, 5].

Сигналы, полученные в результате фильтрации рядов полного электронного содержания для отдельных приемников решетки, задерживают на время Δτ_i (i - номер приемника) относительно сигнала одного из приемников, выбранного в качестве опорного сигнала, и когерентно суммируют между собой. Решение об обнаружении возмущения принимается при превышении суммарным сигналом заданного порога. Направление прихода и величину фазовой скорости волны возмущения находят из решения системы уравнений, описывающих в избранной системе координат семейство плоских волновых фронтов, отстоящих друг от друга на расстояние, определяемое относительными временными сдвигами Δτ_i сигналов отдельных приемников, при которых обеспечивается максимальная амплитуда суммарного сигнала.The signals obtained by filtering the series of total electronic content for individual lattice receivers are delayed by Δτ _i (i is the number of the receiver) for a time relative to the signal of one of the receivers selected as the reference signal and are coherently summed together. The decision to detect disturbances is made when the total signal exceeds a predetermined threshold. The direction of arrival and the magnitude of the phase velocity of the perturbation wave are found from the solution of the system of equations that describe in the chosen coordinate system a family of plane wave fronts separated by a distance determined by the relative time shifts Δτ _{i of the} signals of the individual receivers at which the maximum amplitude of the total signal is provided.

На фиг. 1 в декартовой системе координат изображены точки расположения приемников, проекции подионосферных точек лучей "приемник - навигационный искусственный спутник Земли", семейство фазовых фронтов возмущения полного электронного содержания. На фиг.2 изображены вариации полного электронного содержания, полученные для отдельных приемников, соответствующие отклику ионосферы на воздействие источника возмущений, и суммарный сигнал всех приемников. In FIG. 1, the Cartesian coordinate system shows the location of the receivers, the projection of the podiospheric points of the rays "receiver - navigational artificial Earth satellite", a family of phase fronts of perturbation of the full electronic content. Figure 2 shows the variations of the total electronic content obtained for individual receivers, corresponding to the response of the ionosphere to the influence of a disturbance source, and the total signal of all receivers.

Исследованиями ряда авторов установлено, что откликом ионосферы на воздействие мощных антропогенных (ядерные и химические взрывы, запуски космических аппаратов) и естественных (землетрясения, извержения вулканов) источников являются распространяющиеся в направлении от источника ударно-акустические волны. Распространение ударно-акустической волны приводит к возмущениям полного электронного содержания в ионосфере. Возмущение полного электронного содержания имеет длину волны λ ≈ 100-200 км, период Т ≈ 200-300 с, амплитуду 10¹⁵-10¹⁶ эл/м² [3, 4, 5].Studies by a number of authors have established that the response of the ionosphere to the effects of powerful anthropogenic (nuclear and chemical explosions, launches of spacecraft) and natural (earthquakes, volcanic eruptions) sources are shock-acoustic waves propagating in the direction from the source. The propagation of a shock-acoustic wave leads to perturbations of the total electron content in the ionosphere. The perturbation of the total electronic content has a wavelength of λ ≈ 100–200 km, a period of T ≈ 200–300 s, and an amplitude of 10 ¹⁵ –10 ¹⁶ el / m ² [3, 4, 5].

Каждый из приемников ГЛОНАСС/GPS осуществляет регистрацию фазовых задержек L₁ и L₂ навигационных сигналов с несущей частотой f₁ = 1575,42 МГц, f₂= 1227,6 МГц на трассе "приемник - навигационный искусственный спутник Земли".Each of the GLONASS / GPS receivers registers phase delays L ₁ and L _{2 of} navigation signals with a carrier frequency f ₁ = 1575.42 MHz, f ₂ = 1227.6 MHz on the track “receiver - artificial navigation satellite of the Earth”.

На основе измеренных значений задержек L₁ и L₂ находят величину полного электронного содержания для указанной трассы

где

z_m - зенитный угол луча "приемник - навигационный искусственный спутник Земли", отсчитываемый от вертикального направления;
λ₁,λ₂ - длина волны навигационных сигналов с частотами f₁ и f₂ соответственно.Based on the measured values of the delays L ₁ and L ₂ find the value of the total electronic content for the specified path

Where

z _m - zenith angle of the beam "receiver - navigational artificial Earth satellite", measured from the vertical direction;
λ ₁ , λ ₂ - wavelength of navigation signals with frequencies f ₁ and f _2, respectively.

Флуктуации значений полного электронного содержания содержат как низкочастотные составляющие, обусловленные движением навигационного искусственного спутника Земли, широтно-долготным и суточным ходом полного электронного содержания, так и высокочастотные колебания ΔI(t), вызванные возмущением полного электронного содержания при распространении ударно-акустической волны от источника. Для выделения этих колебаний ряды полного электронного содержания с выхода каждого приемника подают на вход фильтра с полосой пропускания, соответствующей полосе частот ударно-акустической волны. Полученные отклики ΔI(t) относят к проекциям 2 (фиг.1) на горизонтальную плоскость точек в ионосфере, соответствующих пересечению луча "приемник - навигационный искусственный спутник Земли" с поверхностью на высоте максимума слоя F₂ ионосферы. Координаты (x_i; y_i) указанной точки находят, зная координаты приемников и навигационного искусственного спутника Земли, с помощью стандартных в системе GPS процедур.Fluctuations in the values of the total electronic content contain both low-frequency components due to the movement of the artificial navigation satellite of the Earth, the latitudinal-longitude and diurnal course of the total electronic content, and high-frequency oscillations ΔI (t) caused by the perturbation of the total electronic content during the propagation of the shock-acoustic wave from the source. To isolate these oscillations, the series of total electronic content from the output of each receiver are fed to the input of the filter with a passband corresponding to the frequency band of the shock-acoustic wave. The obtained responses ΔI (t) are related to the projections 2 (Fig. 1) on the horizontal plane of the points in the ionosphere corresponding to the intersection of the receiver-navigation artificial satellite of the Earth beam with the surface at the height of the maximum of the F ₂ layer _{of the} ionosphere. The coordinates (x _i ; y _i ) of the indicated point are found, knowing the coordinates of the receivers and the artificial navigation satellite of the Earth, using standard procedures in the GPS system.

Полученные с выходов фильтров сигналы ΔI_i(t) 3 (фиг.2) задерживают на время Δτ_i относительно сигнала опорного приемника ΔI₀(t) 4 (фиг.2) и затем суммируют. Значения Δτ_i подбирают так, чтобы обеспечить максимальную амплитуду суммарного сигнала ΔI_c(t) 5 (фиг.2). При превышении суммарным сигналом заданного порога принимается решение об обнаружении источника возмущения. Величина порога определяется выбранным критерием обнаружения. Если апертура решетки L и расстояние до источника возмущений R таковы, что выполняется условие дальней зоны, то фронт ударно-акустической волны в районе решетки приемников можно считать плоским. Значения Δτ_i определяют расстояния ρ_i, между фазовыми фронтами ударно-акустической волны, имеющими вид параллельных прямых, проходящих через точки (x_i; y_i), где ρ_i = Δτ_i•V; V - фазовая скорость волны возмущения.Received from the outputs of the filters, the signals ΔI _i (t) 3 (Fig. 2) are delayed for a time Δτ _i relative to the signal of the reference receiver ΔI ₀ (t) 4 (Fig. 2) and then summed. The values of Δτ _{i are} selected so as to ensure the maximum amplitude of the total signal ΔI _c (t) 5 (figure 2). If the total signal exceeds a predetermined threshold, a decision is made to detect the source of the disturbance. The threshold value is determined by the selected detection criteria. If the lattice aperture L and the distance to the disturbance source R are such that the far-field condition is fulfilled, then the front of the shock-acoustic wave in the region of the receiver lattice can be considered flat. The values of Δτ _i determine the distance ρ _i between the phase fronts of the shock-acoustic wave, which have the form of parallel lines passing through the points (x _i ; y _i ), where ρ _i = Δτ _i • V; V is the phase velocity of the perturbation wave.

Расстояния ρ_i определяются относительно фазового фронта, проходящего через точку с координатами (х₀; y₀), соответствующую опорному приемнику. Пусть декартова система координат задана таким образом, что ее начало совпадает с точкой (х₀; y₀), ось Оy системы направлена на север, а ось Ox - на восток (фиг. 1). Тогда уравнение фазового фронта, проходящего через точку (x₀; y₀), имеет вид Аx + Вy = 0, где
к = -А/В - угловой коэффициент прямой;
к = tgα;
α = 180^°-β, где
β - азимут перемещения волнового вектора

ионосферного возмущения, отсчитываемый от направления на север по часовой стрелке.The distances ρ _{i are} determined relative to the phase front passing through the point with coordinates (x ₀ ; y ₀ ) corresponding to the reference receiver. Let the Cartesian coordinate system be set in such a way that its origin coincides with the point (x ₀ ; y ₀ ), the axis Oy of the system is directed to the north, and the axis Ox to the east (Fig. 1). Then the equation of the phase front passing through the point (x ₀ ; y ₀ ) has the form Ax + By = 0, where
k = -A / B is the angular coefficient of the line;
k = tgα;
α = 180 ^° -β, where
β is the azimuth of the displacement of the wave vector

ionospheric disturbance, counted from the northward direction clockwise.

Расстояние ρ_i от точки (x_i; y_i) до прямой с параметрами А, В, проходящей через точку (х₀; у₀), определяется уравнением

где Δx_i = x_i-x₀; Δy_i = y_i-y₀.
В этом случае неизвестную фазовую скорость волны возмущения V и параметры А и В можно найти из системы уравнений

.................The distance ρ _i from the point (x _i ; y _i ) to the straight line with parameters A, B passing through the point (x ₀ ; y ₀ ) is determined by the equation

where Δx _i = x _i -x ₀ ; Δy _i = y _i -y ₀ .
In this case, the unknown phase velocity of the perturbation wave V and the parameters A and B can be found from the system of equations

.................

Систему уравнений относительно трех неизвестных - А, В, V - решают численно, любым известным методом [6]. Азимут прихода ионосферного возмущения в заданной системе координат определяют из выражения

ЛИТЕРАТУРА
1. Calais E. , Minster B. J., Hofton M.A., Hedlin M.A.H. Ionospheric signature of surface mine blasts from Global Positioning System measurements.//Geophys. J. Int. 1998. V. 132. P. 191-202.

The system of equations for three unknowns - A, B, V - is solved numerically by any known method [6]. The azimuth of the arrival of the ionospheric disturbance in a given coordinate system is determined from the expression

LITERATURE
1. Calais E., Minster BJ, Hofton MA, Hedlin MAH Ionospheric signature of surface mine blasts from Global Positioning System measurements.//Geophys. J. Int. 1998. V. 132. P. 191-202.

2. Calais E. , Minster J.B. GPS detection of ionospheric perturbations following a Space Shuttle ascent. //Geophys. Res. Lett. 1996. V.23. P. 1897-1900. 2. Calais E., Minster J.B. GPS detection of ionospheric perturbations following a Space Shuttle ascent. // Geophys. Res. Lett. 1996. V.23. P. 1897-1900.

3. Афраймович Э. Л. , Косогоров Е.А., Плотников А.В. Детектирование с помощью GPS-решеток ударно-акустических волн, генерируемых при запуске ракет. Труды VI международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь". - Воронеж, 25 - 27 апреля 2000 г. Том 1, с. 462-474. Прототип. 3. Afraimovich E. L., Kosogorov E. A., Plotnikov A. V. Detection with the help of GPS-arrays of shock acoustic waves generated when rockets are launched. Proceedings of the VI international scientific and technical conference "Radar, navigation, communications." - Voronezh, April 25 - 27, 2000 Volume 1, p. 462-474. Prototype.

4. Li Y.Q., Jacobson A.R., Carlos R.C., Massey R.S., Taranenko Y.N., Wu G. The blast wave of the Shuttle plume at ionospheric heights. // Geophys. Res. Lett. 1994. V.21. P.2737-2740. 4. Li Y.Q., Jacobson A.R., Carlos R.C., Massey R.S., Taranenko Y.N., Wu G. The blast wave of the Shuttle plume at ionospheric heights. // Geophys. Res. Lett. 1994. V.21. P.2737-2740.

5. Blanc E. , Jacobson A. R. Observation of ionospheric disturbances follwing a 5-kt chemical explosion. 2. Prolonged anomalies and stratifications in the lower thermosphere after shock passage. // Radio Science. 1989. V.24. P.739-746. 5. Blanc E., Jacobson A. R. Observation of ionospheric disturbances follwing a 5-kt chemical explosion. 2. Prolonged anomalies and stratifications in the lower thermosphere after shock passage. // Radio Science. 1989. V.24. P.739-746.

6. Бахвалов Н. С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. - М.: Наука, 1987. 6. Bakhvalov N. S., Zhidkov N. P., Kobelkov G. M. Numerical methods. - M.: Science, 1987.

Claims (1)

Способ обнаружения, измерения фазовой скорости и направления прихода ионосферного возмущения, основанный на анализе данных о полном электронном содержании в ионосфере Земли, которые получают в результате обработки сигналов, принятых двухчастотными приемниками спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС/GPS, расположенными в узлах решетки с апертурой, удовлетворяющей условию дальней зоны, с последующим формированием временных рядов полного электронного содержания и их фильтрацией в диапазоне периодов колебаний, соответствующих отклику ионосферы на воздействие источника ионосферного возмущения, отличающийся тем, что используют решетку с числом n (n > 3) пространственно разнесенных приемников, а сигналы, полученные после фильтрации временных рядов полного электронного содержания, когерентно суммируют с временными сдвигами Δτ_i, которые обеспечивают максимальную амплитуду суммарного сигнала; решение об обнаружении ионосферного возмущения принимают при превышении суммарным сигналом порогового уровня, а направление прихода и фазовую скорость ионосферного возмущения определяют из решения системы уравнений, описывающих в избранной системе координат семейство плоских волновых фронтов, отстоящих друг от друга на расстояние, определяемое относительными временными сдвигами Δτ_i, сигналов отдельных приемников.A method for detecting, measuring the phase velocity and direction of arrival of an ionospheric disturbance, based on the analysis of data on the total electronic content in the Earth’s ionosphere, which are obtained as a result of processing signals received by two-frequency receivers of the GLONASS / GPS satellite navigation system located in lattice nodes with an aperture satisfying the condition far zone, with the subsequent formation of time series of the full electronic content and their filtering in the range of oscillation periods corresponding to the ionosphere response to the ionospheric disturbance source, characterized in that a grating with the number n (n> 3) of spatially separated receivers is used, and the signals obtained after filtering the time series of the full electronic content are coherently summed with time shifts Δτ _i that provide the maximum amplitude total signal; the decision to detect an ionospheric disturbance is made when the total signal exceeds the threshold level, and the direction of arrival and the phase velocity of the ionospheric disturbance are determined from the solution of the system of equations describing in the chosen coordinate system a family of plane wave fronts separated by a distance determined by relative time shifts Δτ _i , signals of individual receivers.

Images