RU2624911C1 - Method of detecting ionospheric pertrubations caused by launching the space ships - Google Patents

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: time series of the total electronic content obtained with the help of two-frequency receivers of global navigation satellite systems GLONASS/GPS are subjected to filtration to identify perturbations of the total electronic content caused by the launch of the spacecraft; the signals obtained after filtering are compared with the behavior of the total electronic content on the previous day, for the disturbance caused by the launch, a signal is received that exceeds the level of background fluctuations of the total electronic content and is absent on the control day preceding; further, the shape of the isolated perturbation is analyzed, and in the case where the perturbation is in the form of a wave packet, the explosive nature of the ionospheric disturbances caused by the launch of the spacecraft is determined.

EFFECT: increasing the accuracy of determining the shape of the selected pertrubation.

2 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для дистанционного контроля за запусками космических аппаратов.The invention relates to radio engineering and can be used for remote monitoring of launches of spacecraft.

Способы регистрации ионосферных возмущений, вызванных естественными и техногенными источниками, с помощью сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) GPS, ГЛОНАСС разработаны и активно используются два последних десятилетия [1-3]. Способы основаны на том, что при распространении в ионосфере навигационные радиосигналы испытывают задержку, величина которой пропорциональна значению полного электронного содержания (ПЭС) вдоль луча "приемник ГНСС - спутник ГНСС". Это позволяет определять ПЭС по измерениям ГНСС-приемника. Фильтрация полученных рядов ПЭС в выбранном диапазоне периодов колебаний позволяет выделить возмущения, обусловленные различными факторами.Methods for recording ionospheric disturbances caused by natural and man-made sources using GPS, GLONASS signals from global navigation satellite systems (GNSS) have been developed and have been actively used for the past two decades [1-3]. The methods are based on the fact that when propagating in the ionosphere, navigation radio signals experience a delay proportional to the value of the total electronic content (TEC) along the beam "GNSS receiver - GNSS satellite". This allows you to determine the TEC by measuring the GNSS receiver. Filtering the obtained TEC series in a selected range of oscillation periods allows one to distinguish disturbances caused by various factors.

Наиболее близким (способ-прототип) к решению поставленной задачи является способ регистрации с помощью сигналов ГНСС ударных акустических волн (УАВ), генерируемых при запусках космических аппаратов (КА) [2]. Суть способа заключается в следующем. По данным двухчастотных фазовых измерений приемников ГНСС получают временные ряды вариаций ПЭС. С помощью фильтрации полученных рядов выделяют отклик ПЭС на запуск КА. При этом за отклик принимают сигнал, превышающий уровень фоновых флуктуаций ПЭС. Далее по взаимному смещению откликов ПЭС на трех пространственно разнесенных приемниках ГНСС выполняют расчет скорости и направления перемещения УАВ. В силу того что отклики ПЭС на близко разнесенных приемниках ГНСС имеют подобную форму, в способе-прототипе не производят анализ формы отклика ПЭС, а только констатируют наличие импульса ПЭС, вызванного запуском КА. К недостаткам способа-прототипа относится то, что он не позволяет отличать аварийный запуск от безаварийного.The closest (prototype method) to the solution of this problem is the method for recording shock acoustic waves (SAWs) generated by GNSS signals during spacecraft (SC) launches [2]. The essence of the method is as follows. According to the data of two-frequency phase measurements of GNSS receivers, time series of TEC variations are obtained. By filtering the obtained series, the response of the TEC to the launch of the spacecraft is isolated. In this case, a signal exceeding the level of background fluctuations of the TEC is taken as the response. Further, according to the mutual displacement of the TEC responses at three spatially separated GNSS receivers, the speed and direction of movement of the SAW are calculated. Due to the fact that the TEC responses at closely spaced GNSS receivers have a similar shape, the prototype method does not analyze the TEC response shape, but only state the presence of a TEC pulse caused by the SC launch. The disadvantages of the prototype method include the fact that it does not allow to distinguish emergency start from failure-free.

Целью изобретения является возможность обнаружения взрывных возмущений ионосферы во время аварийных запусков космических аппаратов по данным зондирования ионосферы сигналами ГНСС. В сравнении со способом-прототипом это достигается за счет того, что в предложенном способе производят анализ формы возмущений ПЭС, вызванных запуском КА.The aim of the invention is the ability to detect explosive disturbances of the ionosphere during emergency launches of spacecraft according to sounding of the ionosphere by GNSS signals. In comparison with the prototype method, this is achieved due to the fact that in the proposed method, the shape of the TEC disturbances caused by the launch of the spacecraft is analyzed.

Схема обнаружения отклика ионосферы на запуск КА с помощью сигналов ГНСС представлена на фиг. 1. Спутники ГНСС излучают непрерывные сигналы на двух несущих частотах f₁ и f₂ (для GPS f₁=1575.42 МГц и f₂=1227.60 МГц). С помощью двухчастотного приемника ГНСС регистрируют время распространения радиосигнала (кодовые измерения) и фазовые задержки L₁ и L₂ (фазовые измерения) навигационных сигналов на соответствующих несущих частотах для каждого луча "приемник ГНСС - спутник ГНСС". По значениям задержек L₁ и L₂ рассчитывают величину ПЭС для каждого луча:A scheme for detecting the response of the ionosphere to SC launch using GNSS signals is presented in FIG. 1. GNSS satellites emit continuous signals at two carrier frequencies f ₁ and f ₂ (for GPS f ₁ = 1575.42 MHz and f ₂ = 1227.60 MHz). Using a two-frequency GNSS receiver, the propagation time of the radio signal (code measurements) and phase delays L ₁ and L ₂ (phase measurements) of the navigation signals at the respective carrier frequencies for each beam "GNSS receiver - GNSS satellite" are recorded. The values of the delays L ₁ and L ₂ calculate the value of the TEC for each beam:

где L₁λ₁, L₂λ₂ - приращения фазового пути радиосигнала, вызванные задержкой фазы в ионосфере; λ₁, λ₂ - длины волн навигационных сигналов с частотами ƒ₁ и ƒ₂ соответственно; const - так называемая "неоднозначность фазовых измерений"; σ - ошибка измерения фазы. Фазовые измерения обеспечивают высокую точность регистрации вариаций ПЭС, хотя абсолютное значение ПЭС при этом остается неизвестным (неоднозначность фазовых измерений) [3, 4]. Общепринятой единицей измерения ПЭС является TECU (Total Electron Content Unit), равная 10¹⁶ м^-2.where L ₁ λ ₁ , L ₂ λ ₂ - increments of the phase path of the radio signal caused by phase delay in the ionosphere; λ ₁ , λ ₂ - wavelengths of navigation signals with frequencies ƒ ₁ and ƒ _2, respectively; const - the so-called "ambiguity of phase measurements"; σ is the error of phase measurement. Phase measurements provide high accuracy of recording TEC variations, although the absolute value of TEC remains unknown (the ambiguity of phase measurements) [3, 4]. The generally accepted TES unit is TECU (Total Electron Content Unit), which is 10 ¹⁶ m ^-2 .

Поскольку ПЭС является интегральной величиной, возникает неопределенность в его высотной локализации. В первом приближении принято считать, что ПЭС формируется в ионосферной точке (ИТ), т.е. точке пересечения луча "приемник ГНСС - спутник ГНСС" с тонким слоем на высоте h_max главного максимума ионосферы (фиг. 1) [3, 5]. Траектории ионосферных точек высоте h_max отражают перемещение спутников GPS. Величина h_max изменяется в достаточно широком диапазоне (250-400 км) в зависимости от условий (время суток, сезон, уровень геомагнитной активности и т.д.). Для привязки ПЭС значение h_max выбирают с учетом геофизических условий в каждом конкретном случае. Координаты ИТ рассчитывают для высоты h_max на основе навигационных данных, передваиваемых спутником ГНСС.Since the TEC is an integral quantity, uncertainty arises in its altitude localization. In a first approximation, it is generally accepted that PEC is formed at the ionospheric point (IT), i.e. the point of intersection of the beam "GNSS receiver - GNSS satellite" with a thin layer at a height h_max the main maximum of the ionosphere (Fig. 1) [3, 5]. Trajectories of ionospheric points of height h_max reflect the movement of GPS satellites. H value_max varies in a fairly wide range (250-400 km) depending on conditions (time of day, season, level of geomagnetic activity, etc.). For binding TEC value h_max selected taking into account geophysical conditions in each case. IT coordinates calculate for height h_max based on navigation data transmitted by the GNSS satellite.

Для выделения возмущений, вызванных запуском КА, ряды вариаций ПЭС I(t) подвергают фильтрации методом скользящего среднего в диапазоне периодов 1-10 мин. Отфильтрованные вариации ПЭС dI(t) в день запуска сравнивают с поведением ПЭС в предыдущий день. За возмущение, вызванное запуском КА, принимают сигнал, превышающий уровень фоновых колебаний ПЭС и отсутствующий в контрольный предыдущий день (фиг. 2). Далее для станций, расположенных наиболее близко к траектории полета КА, производят анализ формы выделенного возмущения:To highlight the disturbances caused by the SC launch, the series of TEC I (t) variations are filtered using the moving average method in the range of periods of 1-10 min. The filtered variations of the TEC dI (t) on the day of launch are compared with the behavior of the TEC on the previous day. For the disturbance caused by the launch of the spacecraft, a signal is taken that exceeds the level of background oscillations of the TEC and is absent on the previous day's control (Fig. 2). Further, for stations located closest to the spacecraft flight path, the shape of the selected disturbance is analyzed:

- одиночный импульс (один максимум, один минимум колебаний ПЭС) свидетельствует о прохождении УАВ, вызванной сверхзвуковым движением ракеты-носителя на разгонном участке траектории на высотах 100-130 км. Исследованиями ряда авторов [1-3] установлено, что при штатных (безаварийных) запусках независимо от типа ракеты-носителя, местного времени и сезона ионосферный отклик носит характер одиночного биполярного импульса, соответствующего классической форме ударной волны. Форма отклика отвечает профилю давления УАВ: положительный полупериод соответствует фазе сжатия, отрицательный - фазе разрежения;- a single pulse (one maximum, one minimum of TEC oscillations) indicates the passage of the SAW caused by supersonic motion of the launch vehicle in the accelerating section of the trajectory at altitudes of 100-130 km. The studies of a number of authors [1-3] found that during regular (accident-free) launches, regardless of the type of launch vehicle, local time and season, the ionospheric response is in the nature of a single bipolar pulse corresponding to the classical form of a shock wave. The response form corresponds to the SAW pressure profile: a positive half-period corresponds to a compression phase, a negative half corresponds to a rarefaction phase;

- волновой пакет (несколько минимумов и максимумов с различной амплитудой в колебаниях ПЭС) свидетельствует о распространении акустико-гравитационных волн (АГВ) в атмосфере, вызванных взрывом. Возмущения подобной формы неоднократно наблюдались после наземных взрывов, землетрясений [1-3]. Как показали исследования, локализованный импульсный источник (взрыв, землетрясение) вызывает генерацию АГВ в атмосфере, которые затем регистрируются в виде перемещающихся волновых пакетов (ПВП) в ионосфере.- the wave packet (several minima and maxima with different amplitudes in TEC oscillations) indicates the propagation of acoustic-gravitational waves (AGW) in the atmosphere caused by an explosion. Perturbations of a similar form were repeatedly observed after ground explosions, earthquakes [1-3]. As studies have shown, a localized pulsed source (explosion, earthquake) causes the generation of AGWs in the atmosphere, which are then recorded as moving wave packets (PVP) in the ionosphere.

В качестве примера использования способа на фиг. 2 приведены возмущения ПЭС, зарегистрированные на ГНСС-станции KRTV после двух аварийных запусков КА с космодрома Байконур. Измерения станции KRTV, входящей в Международную геодинамическую сеть IGS, получены на сайте SOP АС [http://sopac.ucsd.edu]. По данным Госкорпорации "РОСКОСМОС" [http://www.roscosmos.ru/launch/2015/], 28 апреля и 16 мая 2015 г. с космодрома Байконур было выполнено два запуска КА, закончившихся нештатными ситуациями. 28 апреля в 10:09 по московскому времени (07:09 UT) произведен запуск ракеты-носителя (РН) "Союз-2.1А" с транспортным грузовым кораблем (ТГК) "Прогресс М-27М". На 527 секунде полета (т.е. в 07:18 UT) произошло нештатное разделение 3-й ступени РН и ТГК, в результате чего корабль и РН оказались на орбитах, параметры которых отличались от расчетных [www.roscosmos.ru/21481/]. 16 мая в 08:47 по московскому времени (05:48 UT) произведен запуск РН "Протон-М" со спутником "МекСат-1". На 497 секунде полета (т.е. в 05:56 UT) на высоте 161 км была зафиксирована нештатная работа двигателей третьей ступени РН. Третья ступень, разгонный блок и космический аппарат практически полностью сгорели в атмосфере [www.roscosmos.ru/21491/].As an example of using the method of FIG. Figure 2 shows TEC disturbances recorded at the KRTV GNSS station after two emergency spacecraft launches from the Baikonur Cosmodrome. The measurements of the KRTV station, part of the IGS International Geodynamic Network, were obtained on the SOP AC website [http://sopac.ucsd.edu]. According to the ROSKOSMOS State Corporation [http://www.roscosmos.ru/launch/2015/], on April 28 and May 16, 2015, two spacecraft launches from Baikonur Cosmodrome were completed, resulting in emergency situations. On April 28, at 10:09 Moscow time (07:09 UT), the Soyuz-2.1A launch vehicle (LV) with the Progress M-27M transport cargo ship (TGC) was launched. At the 527 second of flight (i.e., at 07:18 UT), an abnormal separation of the 3rd stage of the LV and TGK occurred, as a result of which the ship and the LV were in orbits, the parameters of which differed from the calculated ones [www.roscosmos.ru/21481/ ]. On May 16 at 08:47 Moscow time (05:48 UT), the Proton-M rocket with the MekSat-1 satellite was launched. At 497 seconds of flight (i.e., at 05:56 UT) at an altitude of 161 km, abnormal operation of the engines of the third stage of the launch vehicle was recorded. The third stage, the upper stage and the spacecraft were almost completely burned out in the atmosphere [www.roscosmos.ru/21491/].

Форма и амплитуда возмущений ПЭС, вызванных запуском 28 апреля 2015 г. (фиг. 2а-б), близки к аналогичным параметрам, которые наблюдаюсь во время более чем 40 штатных запусков в 1998-2000 гг. с космодрома Байконур [2-3].The shape and amplitude of the TEC disturbances caused by the launch on April 28, 2015 (Fig. 2a-b) are close to the same parameters that are observed during more than 40 regular launches in 1998-2000. from the Baikonur Cosmodrome [2-3].

Форма возмущений ПЭС, вызванных запуском 16 мая 2015 г. (фиг. 2в-г), существенно отличалась от формы возмущений, наблюдавшихся 28 апреля 2015 г., а также от формы возмущений ПЭС, регистрировавшейся после исследованных штатных запусков в 1998-2000 гг. [3]. 16 мая 2015 г. возмущения ПЭС на станции KRTV имели форму волновых пакетов. Это свидетельствует о том, что в этот день воздействие запуска КА на ионосферу имело взрывной характер. Отметим, что в качестве контрольного дня для данного запуска выбрано 14 мая 2015 г., т.к. 15 мая отсутствуют данные измерений на станции KRTV.The shape of the TEC disturbances caused by the launch on May 16, 2015 (Fig. 2c-d) was significantly different from the shape of the disturbances observed on April 28, 2015, as well as the shape of the TEC disturbances recorded after the investigated regular launches in 1998-2000. [3]. On May 16, 2015, TEC disturbances at the KRTV station were in the form of wave packets. This indicates that on this day the effect of the spacecraft launch on the ionosphere was explosive. It should be noted that May 14, 2015 was chosen as a control day for this launch, as On May 15, there are no measurement data at the KRTV station.

Согласно информации Госкорпорации "РОСКОСМОС" [http://www.roscosmos.ru/launch/], в 2010-2014 гг. семь запусков РН с космодрома Байконур оказались неуспешными. В большинстве этих запусков из-за нештатных ситуаций КА были выведены не нерасчетные орбиты, т.е. характер запусков был неразрушающий и близок по параметрам к запуску 28 апреля 2015 г. Разрушение РН и КА зафиксировано во время двух запусков: 02 июля 2013 г. на 17 с полета произошло аварийное отключение двигателей и падение РН на территории космодрома [http://www.roscosmos.ru/19657/]; 16 мая 2014 г.зарегистрировано разрушение третьей ступени РН на высоте 160 км [http://www.roscosmos.ru/20584/]. Анализ вариаций ПЭС, как и следовало ожидать, не выявил возмущений, связанных с запуском 02 июля 2013 г., т.к. разрушение произошло на малой высоте вблизи стартовой площадки. После запуска 16 мая 2014 г. на ГНСС-станциях KRTV, NVSK в вариациях ПЭС обнаружены возмущения в виде волновых пакетов, свидетельствующие о взрывном характере воздействия запуска на ионосферу. Учитывая описанные выше нештатные запуски 2015 г., можно заключить, что из девяти неуспешных запусков с космодрома Байконур в 2010-2015 гг. два сопровождались разрушением РН и КА в верхней атмосфере. Для обоих запусков с помощью предложенного способа были выявлены ионосферные возмущения в виде ПВП. Аналогичные возмущения ПЭС были зарегистрированы также после двух запусков с космодрома Байконур 4 июля и 27 октября 1999 г., во время которых, по данным СМИ [http://www.newsru.com/russia/16oct2002/fire.html; https://ru.wikipedia.org/wiki], произошло возгорание РН на 4-5 мин полета.According to the information of the ROSKOSMOS State Corporation [http://www.roscosmos.ru/launch/], in 2010-2014 Seven launches from the Baikonur Cosmodrome were unsuccessful. In most of these launches, due to emergency situations of the spacecraft, non-calculated orbits were deduced, i.e. the nature of the launches was non-destructive and close in parameters to the launch on April 28, 2015. Destruction of the spacecraft and spacecraft was recorded during two launches: on July 2, 2013, engine shutdown occurred at 17 from the flight and the spacecraft fell on the cosmodrome [http: // www .roscosmos.ru / 19657 /]; On May 16, 2014, the destruction of the third stage of the LV at an altitude of 160 km was registered [http://www.roscosmos.ru/20584/]. The analysis of TEC variations, as one would expect, did not reveal disturbances associated with the launch on July 2, 2013, because the destruction occurred at low altitude near the launch pad. After the launch on May 16, 2014 at the KRTV, NVSK GNSS stations, disturbances in the form of wave packets were detected in the TEC variations in the TEC, indicating the explosive nature of the launch effect on the ionosphere. Given the above-mentioned abnormal launches of 2015, we can conclude that of the nine unsuccessful launches from the Baikonur Cosmodrome in 2010-2015. two were accompanied by the destruction of the LV and spacecraft in the upper atmosphere. For both launches, using the proposed method, ionospheric disturbances in the form of PVP were detected. Similar TEC disturbances were also recorded after two launches from the Baikonur Cosmodrome on July 4 and October 27, 1999, during which, according to media reports [http://www.newsru.com/russia/16oct2002/fire.html; https://ru.wikipedia.org/wiki], the launch vehicle ignited for 4-5 minutes of flight.

Таким образом, приведенные примеры демонстрируют, что предложенный способ (изобретение) обеспечивает возможность обнаружения с помощью сигналов ГНСС взрывных возмущений ионосферы во время аварийных запусков космических аппаратов. Для реализации способа необходимо использовать данные непрерывного мониторинга ионосферы приемными станциями ГНСС в районах, прилегающих к месту запуска.Thus, the above examples demonstrate that the proposed method (invention) makes it possible to detect explosive disturbances of the ionosphere using GNSS signals during emergency launches of spacecraft. To implement the method, it is necessary to use data from continuous monitoring of the ionosphere by GNSS receiving stations in areas adjacent to the launch site.

Список использованной литературыList of references

1. Calais Е., Minster J.B. GPS detection of ionospheric perturbations following a Space Shuttle ascent // Geophys. Res. Let. 1996. V. 23. p. 1897-1900.1. Calais E., Minster J.B. GPS detection of ionospheric perturbations following a Space Shuttle ascent // Geophys. Res. Let. 1996. V. 23. p. 1897-1900.

2. Afraimovich E.L., Kosogorov E.A., Perevalova N.P., Plotnicov A.V. The use of GPS-arrays in detecting shock-acoustic waves generated during rocket launchings // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2001. V. 63(18). p. 1941-1957.2. Afraimovich E.L., Kosogorov E.A., Perevalova N.P., Plotnicov A.V. The use of GPS-arrays in detecting shock-acoustic waves generated during rocket launchings // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2001.V. 63 (18). p. 1941-1957.

3. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск: Изд-во ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, 2006. 480 с.3. Afraimovich E.L., Perevalova N.P. GPS monitoring of the upper atmosphere of the Earth. Irkutsk: Publishing house of the Scientific Center of the National Center for Science and Technology of the All-Russian Scientific and Technical Center of the Scientific and Technical Center of the RAMS, 2006.480 p.

4. Hofmann-Wellenhof В., Lichtenegger Н., Collins J. Global Positioning System: Theory and Practice. New York: Springer-Verlag Wien., 1992. 327 p.4. Hofmann-Wellenhof B., Lichtenegger N., Collins J. Global Positioning System: Theory and Practice. New York: Springer-Verlag Wien., 1992.327 p.

5. Куницын B.E., Терещенко Е.Д., Андреева E.C. Радиотомография ионосферы. М.: Физматлит, 2007. 336 с.5. Kunitsyn B.E., Tereshchenko ED, Andreeva E.C. Radiotomography of the ionosphere. M .: Fizmatlit, 2007.336 s.

Claims (1)

Способ обнаружения возмущений ионосферы, вызванных запусками космических аппаратов, основанный на анализе временных рядов полного электронного содержания в ионосфере Земли, которые получают в результате обработки сигналов, принятых двухчастотными приемниками глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS, отличающийся тем, что в предложенном способе производят анализ формы возмущения полного электронного содержания, вызванного запуском космического аппарата (КА), и в случае, если возмущение имеет форму волнового пакета, определяют взрывной характер ионосферных возмущений, сопровождавших аварийный запуск КА.A method for detecting ionospheric disturbances caused by spacecraft launches, based on the analysis of time series of the total electronic content in the Earth’s ionosphere, which are obtained as a result of processing signals received by two-frequency receivers of GLONASS / GPS global navigation satellite systems, characterized in that in the proposed method they perform shape analysis perturbations of the total electronic content caused by the launch of the spacecraft (SC), and if the perturbation has the form of a wave packet, The explosive nature of the ionospheric disturbances accompanying the emergency launch of the spacecraft is shared.

Images