авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Навигационное обеспечение воздушных судов гражданской авиации в условиях возмущенной ионосферы.

-- [ Страница 2 ] --

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 – 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 см–3 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 “вытягивание” 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 , , – 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 , – 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 «ионосфера-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 «ионосфера-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, , – геодезические широта и долгота ПО, , НС – 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 «ионосфера-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 ( = 660), восстановленный по файлам IONEX (квадраты) и вычисленный по представленной модели системы «ионосфера-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 «ионно-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 «ионно-звуковой пробки» в возмущениях ПЭС на высоких и субавроральных широтах ( = 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 «ионосфера-плазмосфера» представлены на рис. 6. Показан суточный ход вертикального ПЭС для возмущенных условий в северном полушарии ( = 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 660750 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 (100Гц30кГц) 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 – 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 310-9 Вт.м-2. Соответствующая спектральная плотность излучения для частот НЧ диапазона ~ имеет значение Втм-2Гц-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 Втм-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)



Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.