Факторы, влияющие на точность определения частоты девиации в спектре мерцаний фазы трансионосферного сигнала

Сигналы глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) являются высоко информативным средством для исследования ионосферы и верхней атмосферы Земли. Одним из измеряемых параметров навигационных сигналов является фаза несущей, так как она имеет высокую чувствительность к слабым ионосферным событиям. Данная чувствительность определяется тем, насколько точно установлена граница между вариативной частью спектра мерцаний фазы несущей и областью неинформативных шумов. Авторы работы [1] для обозначения данной границы предлагают термин «частота девиации». Частота девиации определяется, как точка перелома на спектре вариаций фазы с переходом наклонного тренда спектра в тренд, близкий к нулевому наклону.
Измерения фазы несущей сигналов навигационных спутников ГЛОНАСС проводились с использованием навигационных приемников двух типов: Javad Delta-G3T и Septentrio PolaRx5, подключенных к общей антенне. Оборудование установлено на пункте измерений Института солнечно-земной физики СО РАН (52,24 с.ш., 104,26 в.д.) и является частью сети SibNet [2]. Запись измерений фазы несущей осуществлялась с частотой регистрации 50 Гц в спокойных и слабовозмущенных геомагнитных условиях.
Уровень шумов измерений фазы несущей зависит как от вида сигнальной компоненты навигационной системы, так и от типа приемного оборудования. Для оценки частоты девиации в спектре вариаций и мерцаний фазы это существенно. Поэтому предварительно были проанализированы шумы измерений фазы несущей. Установлено, что уровень шумов приемника Javad в среднем в 1.5-2 раза выше в сравнении с шумами приемника Septentrio [3].
Уровень шумов приемного оборудования оказывает влияние как на численные значения частоты девиации, так и на форму гистограмм распределения частоты девиации. Частота девиации по данным приемника Javad варьируется в пределах 15-22 Гц, по данным приемника Septentrio – в пределах 18-24 Гц. Форма гистограмм по данным приемника Javad размыта в область низких частот с резким выделением наиболее вероятной частотой девиации, 20 Гц. В то время как наблюдаются 3 доминирующих значения частоты девиации (20, 21, 22 Гц) на гистограммах, построенных по данным Septentrio. При этом для разных сигнальных компонент наблюдаются разные значения наиболее вероятной частоты девиации.
На точность определения частоты девиации в спектре мерцаний фазы несущей, кроме шумов приемного оборудования, оказывает влияние геомагнитная активность. Измерения фазы несущей с использованием приемника Javad проводились в спокойных условиях (13 апреля 2021 г.) и в условиях слабого геомагнитного возмущения (16 апреля 2021 г.). Диапазон изменения частоты девиации в целом варьируется в пределах 15-22 Гц, исключение составляют некоторые сигнальные компоненты, где диапазон изменения смещен на 1-2 Гц [4]. Кроме этого, для всех исследованных нами случаев можно отметить большее количество наблюдений частоты девиации в высокочастотной части спектра в условиях магнитной бури в сравнении со спокойными условиями.
Таким образом, на точность определения границы разделения слабых ионосферных событий и неинформативных шумов в спектре вариации и мерцаний фазы несущей оказывают влияние как шумы приемного оборудования, так и условия наблюдений. Установлено, что во время геомагнитной активности возрастает вероятность наблюдения более высоких частот девиации. Это подтверждает известные результаты в той части, что в условиях геомагнитных возмущений существенно возрастает интенсивность мелкомасштабных ионосферных неоднородностей. Основываясь на вышесказанном предпочтительнее использовать приемник с более низкими шумами, чтобы выделить более мелкие структуры в ионосфере.
Исследование проведено при финансовой поддержке гранта Иркутского государственного университета для молодых ученых № 091-22-305.