Evaluation of the Influence of the Dispersion and Diffraction Properties of the Ionosphere on the Bandwidth of the Trans-Ionospheric Channel

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Theoretical substantiation and development of a hardware and software complex for estimating the band of dispersion distortion and the coherence band of fading in a satellite (trans-ionospheric) radio channel based on the results of GPS monitoring of the ionosphere. The basis for solving this problem is the development of a structural-physical model of the radio channel, which allows simultaneously taking into account the phase dispersion and its diffraction in small-scale inhomogeneities of the ionosphere. Analytical dependences of the band of dispersion distortions and coherence of frequency-selective fading on the average value and small-scale fluctuations of the total electron content of the ionosphere are obtained. It is shown that under conditions of ionospheric disturbances, the coherence band of fading can be much smaller than the dispersion band. In accordance with the obtained dependencies, a structure for constructing a hardware and software complex for estimating the dispersion and coherence bands of a satellite radio channel based on the improvement of the GPS-monitoring method of the total electronic content of the ionosphere with small-scale inhomogeneities has been developed

About the authors

V. P. Pashintsev

North Caucasus Federal University (NCFU)

Author for correspondence.
Email: pashintsevp@mail.ru
Russian Federation, Stavropol

M. V. Peskov

North Caucasus Federal University (NCFU)

Email: mvpeskov@hotmail.com
Russian Federation, Stavropol

D. A. Mikhailov

North Caucasus Federal University (NCFU)

Email: mixayloff.dimaaylov@mail.ru
Russian Federation, Stavropol

N. V. Kiselyov

North Caucasus Federal University (NCFU)

Email: vkicelev@rambler.ru
Russian Federation, Stavropol

References

  1. Альперт Я.Л. Распространение электромагнитных волн и ионосфера. М.: Наука, 1972. 563 с.
  2. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск: ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, 2006. 480 с.
  3. Афраймович Э.Л., Астафьева Э.И., Живетьев И.В., Ойнац А.В., Ясюкевич Ю.В. Отклик глобального и регионального электронного содержания на изменения солнечной активности // Геомагнетизм и аэрономия. 2008. Т. 48. № 2. С. 195—208.
  4. Афраймович Э.Л., Едемский И.К., Воейков С.В., Ясюкевич Ю.В., Живетьев И.В. МГД природа ионосферных волновых пакетов, генерируемых солнечным терминатором // Геомагнетизм и аэрономия. 2010. Т. 50. № 1. С. 82—99.
  5. Безлер И.В., Ишин А.Б., Конецкая Е.В., Тинин М.В. Эффект анизотропии ионосферных неоднородностей при регистрации сбоев фазовых измерений ГНСС // Геомагнетизм и аэрономия. 2019. Т. 59. № 3. С. 364—373. https://doi.org/10.1134/S0016794019030040
  6. Блаунштейн Н., Пулинец С.А., Коэн Я. Расчет основных параметров радиосигналов в канале спутник — Земля при распространении через возмущенную ионосферу // Геомагнетизм и аэрономия. 2013. Т. 53. № 2. С. 215—227. https://doi.org/10.7868/S0016794013020041
  7. Воейков С.В., Бернгардт О.И., Шестаков Н.В. Использование индекса возмущенности вертикальных вариаций ПЭС при исследовании ионосферных эффектов Челябинского метеорита // Геомагнетизм и аэрономия. 2016. Т. 56. № 2. С. 234—243. https://doi.org/10.7868/S0016794016020127
  8. Гершман Б.Н., Ерухимов Л.М., Яшин Ю.Я. Волновые явления в ионосфере и космической плазме. М.: Наука, 1984. 392 с.
  9. Гудмен Дж.М., Ааронс Ж. Влияние ионосферных эффектов на современные электронные системы // ТИИЭР. 1990. Т. 78. № 3. С. 59—76.
  10. Долуханов М.П. Флуктуационные процессы при распространении радиоволн. М.: Связь, 1971. 183 с.
  11. Иванов В.А., Иванов Д.В., Михеева Н.Н., Рябова М.И. Дисперсионные искажения системных характеристик широкополосных ионосферных радиоканалов. Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2015. 156 с.
  12. Калинин А.И., Черенкова Л.Е. Распространение радиоволн и работа радиолиний. М.: Связь, 1971. 439 с.
  13. Коваль С.А., Пашинцев В.П., Копытов В.В., Манаенко С.С., Белоконь Д.А. Метод определения интервала частотной корреляции замираний в однолучевой декаметровой радиолинии // Системы управления, связи и безопасности. 2022. № 1. С. 67—103. https://doi.org/10.24412/2410-9916-2022-1-67-103
  14. Колосов М.А., Арманд Н.А., Яковлев О.И. Распространение радиоволн при космической связи. М.: Связь, 1969. 155 с.
  15. Кравцов Ю.А., Фейзуллин З.И., Виноградов А.Г. Прохождение радиоволн через атмосферу Земли. М.: Радио и связь, 1983. 224 с.
  16. Маслов О.Н., Пашинцев В.П. Модели трансионосферных радиоканалов и помехоустойчивость систем космической связи // Приложение к журналу “Инфокоммуникационные технологии”. Вып. 4. Самара: ПГАТИ, 2006. 357 с.
  17. Пашинцев В.П., Колосов Л.В., Тишкин С.А., Смирнов А.А. Влияние ионосферы на обнаружение сигналов в системах космической связи // Радиотехника и электроника. 1999. Т. 44. № 2. С. 143—150.
  18. Пашинцев В.П., Ахмадеев Р.Р. Прогнозирование помехоустойчивости систем спутниковой связи и навигации по данным GPS-мониторинга ионосферы // Электросвязь. 2015. № 11. С. 58—65.
  19. Пашинцев В.П., Песков М.В., Шевченко В.А., Полежаев А.В. Структурно-физическая модель спутникового радиоканала с учетом поглощения и сцинтилляций волны в ионосфере // Инфокоммуникационные технологии. 2018. T. 16. № 4. С. 366—379. https://doi.org/10.18469/ikt.2018.16.4.02
  20. Перевалова Н.П. Оценка характеристик наземной сети приемников GPS/ГЛОНАСС, предназначенной для мониторинга ионосферных возмущений естественного и техногенного происхождения // Солнечно-земная физика. Вып. 19. 2011. С. 124—133.
  21. Пулинец М.С., Будников П.А., Пулинец С.А. Глобальный отклик ионосферы на интенсивные вариации солнечной и геомагнитной активности по данным глобальной сети навигационных приемников GNSS // Геомагнетизм и аэрономия. 2023. T. 63. № 2. С. 202—215. https://doi.org/10.31857/S0016794022600703
  22. Романова Н.Ю., Телегин В.А., Панченко В.А., Жбанков Г.А. Взаимосвязь дрейфа среднемасштабных неоднородностей и ориентации поперечной анизотропии мелкомасштабных неоднородностей в F-области среднеширотной ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 2022. T. 62. № 2. C. 211—226. https://doi.org/10.31857/S0016794022020134
  23. Рыжкина Т.Е., Федорова Л.В. Исследование статических и спектральных трансатмосферных радиосигналов УКВ-СВЧ диапазона // Журнал радиоэлектроники. 2001. № 2. http://jre.cplire.ru/win/feb01/3/text.html
  24. Сомсиков В.М. Солнечный терминатор и динамические явления в атмосфере (обзор) // Геомагнетизм и аэрономия. 2011. Т. 51. № 6. С. 723—735.
  25. Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь. М.: Связь, 1979. 592 с.
  26. Тепляков И.М. Ионосферные искажения цифровых сигналов с широкополосной модуляцией // Радиотехника. 1984. № 4. С. 8—13.
  27. Титова М.А., Захаров В.И., Пулинец С.А. Интерпретация ионосферных возмущений в период крупнейшего землетрясения при дифференцированном использовании специальных методов обработки спутниковых радиосигналов // Геомагнетизм и аэрономия. 2022. T. 62. № 6. С. 797—816. https://doi.org/10.31857/S0016794022060153
  28. Филипп Н.Д., Ораевский В.Н., Блаунштейн Н.Ш., Ружин Ю.Я. Эволюция искусственных плазменных неоднородностей в ионосфере. Кишинев: Штиинца, 1986. 246 с.
  29. Черенкова Л.Е., Чернышов О.В. Распространение радиоволн. М.: Радио и связь, 1984. 272 с.
  30. Ясюкевич Ю.В., Захаров В.И., Куницын В.Е., Воейков С.В. Отклик ионосферы на землетрясение в Японии 11 марта 2011 г. по данным различных GPS-методик // Геомагнетизм и аэрономия. 2015. Т. 55. № 1. С. 113—122. https://doi.org/10.7868/S0016794014060212
  31. Aarons J. Global morphology of ionospheric scintillations // Proc. IEEE. 1982. V. 70. № 4. Р. 360—378. https://doi.org/10.1109/PROC.1982.12314
  32. Bedrosian E. Transionospheric propogation of FM signals // IEEE T. Commun. Techn. 1970. V. 18. № 2. Р. 102—109. https://doi.org/10.1109/TCOM.1970.1090338
  33. Bogusch R.L., Gulgliano F.W., Knepp D.L. Frequency-selective scintillation effects end decision feedback equalization in high data-rate satellite links // P. IEEE. 1983. V. 71. № 6. Р. 754—767. https://doi.org/10.1109/PROC.1983.12662
  34. Davies K. Ionospheric Radio / IEEE Electromagnetic Waves Series. V. 31. London: Peter Peregrinus Ltd., 1990. 580 р.
  35. GPStation-6. GNSS Ionospheric Scintillation and TEC Monitor (GISTM) Receiver User Manual. https://hexagondownloads.blob.core.windows.net/public/Novatel/assets/Documents/Manuals/om-20000132/om-20000132.pdf. 2012.
  36. Ionospheric propagation data and prediction methods required for the design of satellite services and systems. Recommendation ITU-R P. 531-11. Geneva: Electronic Publication, 2012. 24 p.
  37. Knepp D.L. Multiple phase — screen calculation of the temporal behavior of stochastic waves // P. IEEE. 1983. V. 71. № 6. Р. 722—737. https://doi.org/10.1109/PROC.1983.12660
  38. Liu C.H., Wernik A.W., Yeh K.C. Propagation of pulse trains trough a random medium // IEEE T. Antenn. Propag. 1974. V. 22. № 4. P. 624—627. https://doi.org/10.1109/TAP.1974.1140830
  39. OEM6. Firmware Reference Guide. 2014. https://hexagondownloads.blob.core.windows.net/public/Novatel/assets/Documents/Manuals/om-20000129/om-20000129.pdf
  40. Pashintsev V., Peskov M., Smirnov V., Smirnova E., Tynyankin S. Procedure for extraction of small-scale variations in the total electron content of the ionosphere with the use of transionospheric sounding data // J. Commun. Technol. El. 2017. V. 62. № 12. Р. 1336—1342. https://doi.org/10.1134/S1064226917110158
  41. Pashintsev V., Peskov M., Kalmykov I., Zhuk A., Toiskin V. Method for forecasting of interference immunity of low frequency satellite communication systems // AD ALTA — Journal of Interdisciplinary Research. 2020. V. 10. № 1. P. 367—375.
  42. Pashintsev V., Peskov M., Mikhailov D., Senokosov M., Solomonov D. Method for GPS-monitoring of small–scale fluctuations of the total electron content of the ionosphere for predicting the noise immunity of satellite communications // Ionosphere — New Perspectives. Ed. Y.-H. Chemin. London: IntechOpen, 2023. P. 13—33. https://doi.org/10.5772/intechopen.1001096
  43. Pashintsev V.P., Peskov M.V., Kalmykov I.A., Zhuk A.P., Senokosov M.A. Method for the evaluation of ionospheric diffractive and dispersive properties impact on the interference immunity of satellite communication systems // International Journal of Civil Engineering and Technology. 2018. V. 9. № 13. P. 44—61.
  44. Shanmugam S., Jones J., MacAulay A., Van Dierendonck A.J. Evolution to modernized GNSS ionoshperic scintillation and TEC monitoring // Proc. 2012 IEEE Symp. Position Location and Navigation (PLANS). USA, Myrtle Beach, SC. April 23—26, 2012. P. 265—273. https://doi.org/10.1109/PLANS.2012.6236891
  45. Yeh K.C., Liu C.H. Radio wave scintillations in the ionosphere // P. IEEE. 1982. V. 70. № 4. P. 324—360. https://doi.org/10.1109/PROC.1982.12313

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences