Аналитическая оценка частоты девиации в спектре мерцаний фазы несущей навигационных сигналов и ее экспериментальная верификация

Фаза несущей сигналов навигационных спутников является одним из радионавигационных параметром, который широко используется для радиозондирования ионосферы, поскольку обладает высокой чувствительностью к слабым ионосферным возмущениям. При этом чувствительность измерений во многом определяется тем, насколько точно установлена граница разделения слабых ионосферных возмущений, которые еще можно наблюдать, и неинформативных шумов в спектре вариаций фазы. Данная граница в работе [1] получила название частоты девиации (deviation frequency) и определяется, как точка перелома в спектре вариаций фазы с переходом наклонного тренда спектра в тренд, близкий к нулевому наклону.
Нами предложена аналитическая модель фазы несущей сигналов навигационных спутников для оценки частоты девиации. Амплитуда мерцаний фазы определяется дисперсией белого шума, которая оценивается в приближении геометрической оптики, как суммарный эффект рассеивания в слое неоднородностей и рефракционного дрожания луча на входе слоя, в слое и на его выходе [2]. Предложенная нами аналитическая модель может быть для использования в методических целях при обработке измерений фазы несущей трансионосферных сигналов для: 1) тестирования корректности работы процедур фильтрации и удаления трендов измерений фазы на выходе приемника трансионосферных сигналов; 2) отработки процедур выделения характерных точек или областей в спектре вариаций фазы несущей трансионосферного сигнала.
Используя предложенную модель фазы несущей и спектральное разложение модельных рядов вариаций фазы с помощью быстрого преобразования Фурье, мы оценили зависимость частоты девиации от масштаба и интенсивности мелкомасштабных неоднородностей. В процессе моделирования установлено, что частота девиации меняется в пределах от 10 Гц до 20 Гц при изменении масштабов неоднородностей от 200 м до 5 км и их интенсивностей от 1% до 5% относительно фона. Кроме этого показано, что при малых масштабах неоднородностей наблюдается увеличение частоты девиации до некоторого порогового значения, а затем частота девиации начинает уменьшаться с увеличением пространственного масштаба неоднородностей. При увеличении интенсивности неоднородностей частота девиации уменьшается, но при слабых интенсивностях ≤ 1% частота девиации практически не зависит от масштаба неоднородностей.
Для верификации полученных теоретических результатов моделирования проведены экспериментальные оценки частоты девиации на пункте измерений Института солнечно-земной физики СО РАН (пункт ISTP с координатами 52,24 с.ш., 104,26 в.д.). Измерения фазы несущей трансионосферных сигналов навигационных спутников GPS и ГЛОНАСС проводились 16 апреля 2021 г в условиях слабого геомагнитного возмущения. Для проведения измерений использовался навигационный приемник сигналов GNSS Javad Delta-G3T с частотой регистрации измерений 50 Гц. Результаты эксперимента показали изменение частоты девиации в пределах 15-22 Гц, что согласуется с результатами моделирования.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 17-77-20005.