Инструментальные ошибки интерферометрического метода исследования рефракции в тропосфере на трассе ГИСЗ – земля

Рассмотрена возможность применения интерферометра, принимающего радиосигнал с геостационарного искусственного спутника Земли (ГИСЗ), для измерения интегрального по трассе градиента коэффициента преломления тропосферы в рамках экспоненциальной модели тропосферы. Приведены факторы, влияющие на точнос...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2008
Main Author:	Халамейда, Д.Д.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2008
Subjects:	Распространение и рассеяние волн
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10800
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Инструментальные ошибки интерферометрического метода исследования рефракции в тропосфере на трассе ГИСЗ – земля / Д.Д. Халамейда // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, № 3. — С. 503-511. — Бібліогр.: 27 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-10800
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-108002025-02-09T09:44:26Z Инструментальные ошибки интерферометрического метода исследования рефракции в тропосфере на трассе ГИСЗ – земля Iнструментальнi помилки інтерферометричного методу дослідження рефракції в тропосферi на трасi ГШСЗ – земля Instrumental errors of interferometrical method of reserch on tropospheric refraction on path geo satellite – earth Халамейда, Д.Д. Распространение и рассеяние волн Рассмотрена возможность применения интерферометра, принимающего радиосигнал с геостационарного искусственного спутника Земли (ГИСЗ), для измерения интегрального по трассе градиента коэффициента преломления тропосферы в рамках экспоненциальной модели тропосферы. Приведены факторы, влияющие на точность измерений угла прихода, такие как шумы приемника, нестабильность положения фазового центра антенн, изменение свойств фидерного тракта, и проведена их оценка. Рассмотрены требования к различным характеристикам интерферометра. Розглянуто можливість застосування інтерферометра, що приймає радіосигнал з геостаціонарного штучного супутника Землі (ГШСЗ), для вимірювання інтегрального по трасі градієнта коефіцієнта заломлення тропосфери в рамках експоненціальної моделі тропосфери. Приведено фактори, що впливають на точність вимірювань кута приходу, такі як шуми приймача, нестабільність положення фазового центру антен, зміна властивостей фідерного тракту, і проведена їх оцінка. Розглянуто вимоги до різних характеристик інтерферометра. Possibility of using interferometer receiving radio signals of Geostationary Satellite for measuring tropospheric refraction index is discussed. For this reason exponential model of troposphere is used. Factors decreasing the accuracy of measuring of arrival angle, such as receiver noise, instability of antenna phase center location, variation of properties of feeder tract, are shown. Demands for different characteristics of interferometer are discussed. 2008 Article Инструментальные ошибки интерферометрического метода исследования рефракции в тропосфере на трассе ГИСЗ – земля / Д.Д. Халамейда // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, № 3. — С. 503-511. — Бібліогр.: 27 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10800 537.874.3(551.510.52):531.715.1 ru application/pdf Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Распространение и рассеяние волн Распространение и рассеяние волн
spellingShingle	Распространение и рассеяние волн Распространение и рассеяние волн Халамейда, Д.Д. Инструментальные ошибки интерферометрического метода исследования рефракции в тропосфере на трассе ГИСЗ – земля
description	Рассмотрена возможность применения интерферометра, принимающего радиосигнал с геостационарного искусственного спутника Земли (ГИСЗ), для измерения интегрального по трассе градиента коэффициента преломления тропосферы в рамках экспоненциальной модели тропосферы. Приведены факторы, влияющие на точность измерений угла прихода, такие как шумы приемника, нестабильность положения фазового центра антенн, изменение свойств фидерного тракта, и проведена их оценка. Рассмотрены требования к различным характеристикам интерферометра.
format	Article
author	Халамейда, Д.Д.
author_facet	Халамейда, Д.Д.
author_sort	Халамейда, Д.Д.
title	Инструментальные ошибки интерферометрического метода исследования рефракции в тропосфере на трассе ГИСЗ – земля
title_short	Инструментальные ошибки интерферометрического метода исследования рефракции в тропосфере на трассе ГИСЗ – земля
title_full	Инструментальные ошибки интерферометрического метода исследования рефракции в тропосфере на трассе ГИСЗ – земля
title_fullStr	Инструментальные ошибки интерферометрического метода исследования рефракции в тропосфере на трассе ГИСЗ – земля
title_full_unstemmed	Инструментальные ошибки интерферометрического метода исследования рефракции в тропосфере на трассе ГИСЗ – земля
title_sort	инструментальные ошибки интерферометрического метода исследования рефракции в тропосфере на трассе гисз – земля
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
publishDate	2008
topic_facet	Распространение и рассеяние волн
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10800
citation_txt	Инструментальные ошибки интерферометрического метода исследования рефракции в тропосфере на трассе ГИСЗ – земля / Д.Д. Халамейда // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, № 3. — С. 503-511. — Бібліогр.: 27 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT halamejdadd instrumentalʹnyeošibkiinterferometričeskogometodaissledovaniârefrakciivtroposferenatrassegiszzemlâ AT halamejdadd instrumentalʹnipomilkiínterferometričnogometodudoslídžennârefrakcíívtroposferinatrasigšszzemlâ AT halamejdadd instrumentalerrorsofinterferometricalmethodofreserchontroposphericrefractiononpathgeosatelliteearth
first_indexed	2025-11-25T09:57:54Z
last_indexed	2025-11-25T09:57:54Z
_version_	1849755890210570240
fulltext	__________ ISSN 1028-821X Радиофизика и электроника, том 13, № 3, 2008, с. 503-511 ИРЭ НАН Украины, 2008 УДК 537.874.3(551.510.52):531.715.1 ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ ОШИБКИ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ РЕФРАКЦИИ В ТРОПОСФЕРЕ НА ТРАССЕ ГИСЗ – ЗЕМЛЯ Д. Д. Халамейда Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины 12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина E-mail: hdd78@mail.ru Рассмотрена возможность применения интерферометра, принимающего радиосигнал с геостационарного искусственного спутника Земли (ГИСЗ), для измерения интегрального по трассе градиента коэффициента преломления тропосферы в рамках экс- поненциальной модели тропосферы. Приведены факторы, влияющие на точность измерений угла прихода, такие как шумы прием- ника, нестабильность положения фазового центра антенн, изменение свойств фидерного тракта, и проведена их оценка. Рассмотре- ны требования к различным характеристикам интерферометра. Ил. 18. Библиогр.: 27 назв. Ключевые слова: рефракция, интерферометр, геостационарный спутник. Исследование рефракции электромагнит- ных волн (ЭМВ) в тропосфере широко обсужда- лось во многих работах [1-13]. Это связано с су- щественным влиянием ее на распространение ЭМВ различных диапазонов посредством ис- кривления траектории распространения радио- волны. Поэтому наблюдаемое положение источ- ника излучения отличается от истинного, а время задержки сигнала увеличивается. Рефракционные свойства тропосферы описываются высотным профилем коэффициента преломления, для измерения которого использу- ются контактные [14, 15] и бесконтактные [1-6, 9- 12, 15-17] (дистанционные) методы. В первом случае для измерения используются данные о температуре, давлении и влажности атмосферы, а также непосредственные измерения с помощью рефрактометра, установленного на борту лета- тельного аппарата. Во втором случае рефракци- онные свойства определяются косвенно, исполь- зуя параметры зондирующего сигнала. Решается обратная задача для нахождения высотного про- филя коэффициента преломления. В практических приложениях часто дос- таточно использовать оценки параметров стан- дартных моделей высотного профиля тропосфе- ры. В частности, широко применяется экспонен- циальная модель тропосферы [17] 0 0 exp1)( n hg nhn n , (1) где ;100 nn 0n – приземный коэффициент преломления; ng – градиент. Достаточно изме- рить значение приземного коэффициента прелом- ления ,0n значение коэффициента преломления hn на некоторой высоте и найти градиент [18] ,ln 10 0 6 0 N N h N g h n (2) где 6101nN – приведенный показатель преломления, для чего используются датчики температуры ,T давления p и влажности e [19] T e P T N 4810776,0 . (3) Погрешность определения приведенного показателя преломления N соответствует по- грешности измерения градиента g , )( 10 6 0 N hhN N g (4) которая зависит от высоты h . На рис. 1 показана зависимость погрешности измерения градиента g от высоты для заданной погрешности изме- рения приведенного показателя преломления 1N ед., рассчитанная в соответствии с вы- ражением (4). Рис. 1. Погрешность измерения градиента коэффициента реф- ракции g N= 1 ед. g 10-9 10-8 0 200 400 600 800 h, м mailto:hdd78@mail.ru Д. Д. Халамейда / Инструментальные ошибки интерферометрического… _________________________________________________________________________________________________________________ 504 В условиях стандартной атмосферы по- грешность оказывается недопустимо большой ≈ 4∙10 -8 , в связи с чем необходимо применять мачты высотой в сотни метров даже для предель- но достижимой точности измерения приведенно- го показателя преломления 1,0N ед. Это достаточно жесткое требование, в связи с чем представляет интерес использование дистанци- онных методов измерения градиента показателя преломления. Поэтому было предложено [2] использо- вать радиоинтерферометр для измерения гради- ента путем определения угла прихода сигналов, излучаемых геостационарным спутником. Траек- тория луча в неоднородно-слоистой тропосфере зависит от рефракционных свойств тропосферы, как показано на рис. 2, где введены обозначения [17]: – угол полной рефракции (угол между касательными к лучу в точках передачи и прие- ма); – угол фотограмметрической рефракции; va – угол истинной рефракции (рефрак- ционная ошибка); a – угол прихода; v – угол места спутника. Рис. 2. Ход лучей в тропосфере: а – радиус Земли; А – прием- ная антенна; В – геостационарный спутник Земли Углы рефракции связаны соотношением , которое для достаточно удаленного источника ( 2h 100 км) переходит в , когда 0. В общем случае рефракционная ошибка записывается в виде [17] ___________________________________________ c A h h a A A a A Ava a h hn a h hnhn dh h hn a h hn 1 2 2 2 2 22 cos11 cos1 2 1 , (5) ___________________________________________ где a – радиус Земли; Ah и Ch – высота уста- новки антенн рефрактометра и орбиты спутника. Ограничивая рассмотрение экспоненциальной моделью тропосферы, используем выражение (1) для профиля показателя преломления и его про- изводной в виде 0 exp n hg g h hn n n , (6) что позволяет рассчитать ожидаемое значение рефракционной ошибки. Таким образом, для нахождения градиен- та показателя преломления достаточно решить интегральное уравнение (5) по данным измерения угла прихода – a , угла места – v и коэффици- ента преломления 0n (4). При этом угол места спутника v вычисляется с использованием су- ществующих методов траекторного анализа [20- 22] и программного продукта Trakstar [20]. Схема радиоинтерферометра в общем виде содержит две антенны (рис. 3), сигналы с выхода которых подаются на волноводный трой- ник ВТ, в одном из плеч которого установлен переменный фазовращатель ФВ, а затем разност- ный сигнал с выхода ВТ поступает на квадратич- ный детектор КД. ___________________________________________ Рис. 3. Структурная схема интерферометра КД ВТ ФВ d r1 r2 2 О B A h2 h1 a a 1 Д. Д. Халамейда / Инструментальные ошибки интерферометрического… _________________________________________________________________________________________________________________ 505 Выходной сигнал детектора обрабатыва- ется с помощью персонального компьютера. Дли- на плеч интерферометра равняется 1L и ,2L а раз- ность хода приходящих лучей составляет ,L что соответствует разности фаз , 2 L d – база интерферометра. Тогда равенство электрических длин плеч соответствует направлению на источ- ник, а при изменении настройки фазовращателя можно, в определенных пределах, сканировать положением пеленга в пространстве. Рассматривая прохождение сигнала в схеме (рис. 3), можно показать, что сигнал на вы- ходе фазового детектора записывается в виде ,)()( 2 2 1 10 21 r e F r e FUU krj a jkr a (7) где 2,1F – диаграмма направленности (ДН) антенн интерферометра; – сдвиг фаз в фа- зовращателе; 2,1r – длины лучей от спутника до обеих антенн; 2 k – волновое число; – дли- на волны. Опуская громоздкие выкладки, запи- шем выражение для зависимости мощности на выходе фазового детектора от параметров интер- ферометра в виде ;cos21 1 2 2 1 22 10д F F F F FPP (8) ,sin фкkd (9) где 0P – константа, зависящая от дальности, уси- ления в каналах интерферометра и др.; к – разность набега фаз в фидерном тракте интерфе- рометра; ф – фазовый сдвиг, вносимый фазов- ращателем. В случае идентичных антенн FFF 21 выражение (8) существенно упрощается и преобразуется в известное соотно- шение cos12 2 0д FPP . (10) Для антенн апертурного типа с круглым раскрывом и осесимметричным спадающим рас- пределением поля ДН хорошо аппроксимируется выражением [23] ,sin 2 20 a a kD FF (11) где 0F – нормирующий множитель; 2 – лям- бда-функция первого порядка [23]. На рис. 4 (гладкая кривая) приведена нормированная ДН интерферометра (8) ( ,50 0d ,20 0D 21 LL , 0ФВ ). Как видно, быстро осциллирующая компонента, обусловленная интерференцией из- лучения антенн, разнесенных на расстояние ,d промодулирована ДН отдельной антенны (штрих- пунктир). Как было отмечено выше, в направле- нии оси интерферометра формируется нуль, по- ложение которого зависит от фазовых соотноше- ний в плечах интерферометра. Рис. 4. Диаграмма направленности интерферометра Например, при изменении фазового сдви- га ,ф вносимого фазовращателем, положение нуля смещается на угол d2 arcsin ф . По- этому, изменяя фазовый сдвиг, вносимый фазов- ращателем, можно измерить пеленгационную характеристику интерферометра при постоянном положении источника (рис. 5), минимум которой в точности соответствует углу прихода a . Рис. 5. Пеленгационная характеристика интерферометра Чтобы оценить требования к точности из- мерения углов прихода, на рис. 6 приведена зави- симость рефракционной ошибки va от градиента ng для различных величин приземного показателя преломления 0n . При этом пределы изменения градиента на суше и приземного коэф- фициента преломления выбирались на основании данных работы [17]: 88 105,103ng м -1 , 3502700N N ед. Как видно, рефракционная –π –π / 2 0 π / 2 Δφ, рад 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Uвых/Uвых max Д. Д. Халамейда / Инструментальные ошибки интерферометрического… _________________________________________________________________________________________________________________ 506 ошибка изменяется в пределах ≤ 1 угл. мин. при изменении градиента показателя преломления в пределах (–3÷–4,5) ,10 8 в связи с чем точность измерения угла прихода должна быть не хуже 0,1 угл. мин. Так как угол места спутника линей- но входит в выражение для рефракционной ошиб- ки va , требования к точности измерения угловых координат спутника также должны быть не хуже 0,1 угл. мин. Рис. 6. Зависимость рефракционной ошибки от градиента показателя преломления Анализ рис. 6 позволяет сделать вывод о том, что точность измерения приземного коэф- фициента преломления должна быть лучше 1 N ед., что соответствует точности серийно выпускаемого измерительного метеорологиче- ского оборудования. Таким образом, необходимая точность измерения углов прихода является достаточно высокой, в связи с чем рассмотрим требования, которым должна отвечать аппаратура радиоин- терферометра. В общем случае, когда отдельные составляющие погрешности измерения некорре- лированы, точность пеленгации удаленного ис- точника можно записать в виде ,2 п 2 с 2 ф 2 а 2 ш (12) где ш – погрешность измерений, обусловленная влиянием шумов приемника; a – погрешность измерений, обусловленная нестабильностью по- ложения фазового центра антенн (ветровое воз- действие, механические факторы и др.); ф – по- грешность измерений, обусловленная нестабиль- ностью параметров фидерного тракта; с – по- грешность измерений в связи с неточностью оп- ределения положения спутника на орбите; п – погрешность измерения вследствие многолучево- го распространения. Рассмотрим составляющие погрешности измерения по отдельности. 1. Погрешность измерений, обуслов- ленная влиянием шумов приемника ,ш опре- деляется в основном смещением минимума пе- ленгационной характеристики вследствие влия- ния флуктуационной составляющей сигнала с выхода приемного устройства. Используя резуль- таты работы [25], можно показать, что в рассмат- риваемом случае выражение для погрешности измерений, обусловленной влиянием шумов при- емника, записывается в виде mR 2 инш , (13) где d 03,1ин – ширина интерференционного лепестка по уровню половинной мощности; N S LLR mpm 2 – энергетический коэффициент; pL – коэффициент потерь, связанный с формой пеленгационной характеристики; mL – коэффи- циент потерь, обусловленный несовершенством согласованной фильтрации; N S – отношение сигнал/шум. В рассматриваемом случае pL 2, mL 1,26, а результаты расчета нормированного значения точности пеленгации 5,0 ш ш при- ведены на рис. 7. В частном случае, при 50d , требуемая точность пеленгации 05,0ш угл. мин. достигается при отношении сигнал/шум более 30÷40 дБ. Рис. 7. Влияние шумов приемника на точность пеленгации 2. Погрешность измерений, обуслов- ленная нестабильностью положения фазовых центров антенн, связана с влиянием механиче- ских факторов, включая ветровые нагрузки, кото- рые приводят к смещению взаимного положения антенн и появлению дополнительного фазового сдвига A . Можно показать, что среднеквадра- тическое отклонение (СКО) погрешности измере- ш 10 – 1 10 – 2 10 – 3 0 10 30 20 S /N , дБ Д. Д. Халамейда / Инструментальные ошибки интерферометрического… _________________________________________________________________________________________________________________ 507 ния угла прихода определяется выражением d rarcsina , где r – СКО положения фазовых центров антенн. На рис. 8 приведены результаты расчетов, которые показывают, что требования к стабильности взаимного положения антенн воз- растают при уменьшении его базы. Например, для базы 4d м и длины волны 0 8 см ( 050d ) необходимо обеспечить СКО поло- жения фазовых центров антенн с точностью ≤ 0,051 мм ( 05,0a угл. мин.). Рис. 8. Влияние флуктуаций положения фазового центра ан- тенн на точность пеленгации Анализ показывает, что неточная ориен- тация электрических осей антенн, как и неиден- тичность их ДН, существенно не влияет погреш- ность измерений угла прихода. 3. Погрешность измерений, обуслов- ленная изменением параметров фидерного тракта ф связана преимущественно с удлине- нием фидера lTl при изменении темпера- туры окружающей среды minmax TTT ( l – длина фидера, – температурный коэффициент удлинения). При этом вносимая фазовая ошибка равна ,л l где g 2 – постоянная распространения в фидере; Kg 0 – длина волны в фидере; K – коэффициент укорочения фидера. Можно показать, что изменение угла прихода, связанное с температурным удлинением фидерного тракта, определяется выражением ,arcsin 21 ф d ll K TM где T – СКО изме- нения температуры окружающей среды ( K 1,56; K25T ); 1l и 2l – длины фидеров первого и второго плеча. При равенстве длин соединительных ка- белей каналов интерферометра влияние измене- ния температуры практически отсутствует, что важно при практической реализации интерферо- метра. Однако в случае кабелей разной длины погрешность определения угла прихода может достигать заметной величины. 4. Погрешность измерения, обуслов- ленная многолучевым распространением п . Выше рассмотрена работа интерферометра в сво- бодном пространстве. В реальных условиях, ко- гда антенны интерферометра установлены на ко- нечной высоте, необходимо учитывать влияние подстилающей поверхности, которое состоит в формировании дополнительного канала приема вследствие наличия отраженного луча (рис. 9). а а hа r r’02 r’01 пад A B O C D hc Рис. 9. Геометрия трассы распространения при многолучевом распространении Здесь использованы следующие обозна- чения: A – приемная антенна; B – передающая антенна; a – угол места спутника; a – угол прихода отраженного луча; ah – высота антенны от поверхности Земли; ch – высота спутника; 01r , 02r – расстояния от приемной и передающей ан- тенны до точки отражения; a – радиус Земли. Работа интерферометра с учетом влияния подстилающей поверхности поясняется на рис. 10, где 2121 ,,, rrrr – длины прямых и отра- женных лучей; ,r r – разность хода прямых и отраженных лучей. а, угл. мин. 0 0,05 0,05 1 0,5 0 0,5 310r 50 d 100 d a a Д. Д. Халамейда / Инструментальные ошибки интерферометрического… _________________________________________________________________________________________________________________ 508 Рис. 10. Влияние подстилающей поверхности В этом случае выражение для сигнала на выходе фазового детектора (7) заметно усложня- ется и в случае идентичных антенн принимает вид , )()( )()( 2 2 эф 2 1 эф 1 0д 22 11 r e F r e F r e F r e F II rkjkrj rjkjkr   (14) где эф  – эффективное значение комплексного коэффициента отражения подстилающей поверх- ности; .фк При отсутствии отраже- ний 0эф  выражение (14) переходит в (7), ко- торое соответствует свободному пространству. Аналогичный предельный переход имеет место также в том случае, когда угол прихода отражен- ного луча a существенно больше ширины ДН антенны интерферометра по уровню половинной мощности aa , чему соответствует .0)( aF Запишем выражение для мощности сиг- нала на выходе фазового детектора в виде ,2 0д CBAPP (15) где )cos(12 rkFA ; rkFB cos122 ; )(cos )(cos )(cos )(cos 12 21 22 11 rrk rrk rrk rrk FFC  ; l . Как и ранее при отсутствии подстилаю- щей поверхности ( 0эф  ) выражение (15) пере- ходит в выражение (10) для свободного про- странства. В частности, на рис. 11 приведен при- мер численного моделирования влияния подсти- лающей поверхности на ДН интерферометра (15) ( 50ah м; 36000ch км; ;8,0 ;0 ;4,4  a 4d м; 5,1D м; 8см). Отраже- ния от подстилающей поверхности приводят к изрезанности ДН интерферометра и, как следст- вие, к смещению минимума пеленгационной ха- рактеристики интерферометра (рис. 12). Гладкая кривая – соответствует свободному пространству, пунктир – подстилающей поверхности. Данные рассчитаны для значений параметров, как и в предыдущем случае (рис. 5). Рис. 11. Влияние подстилающей поверхности на ДН интерфе- рометра ( 0,1 ) Рис. 12. Пеленгационная характеристика интерферометра Чтобы рассчитать влияние подстилаю- щей поверхности на точность измерения угла прихода, необходимо определить угол визирова- ния точки зеркального отражения .аa Можно показать, что для случая отсутствия атмо- сферы указанный угол удовлетворяет трансцен- дентному уравнению ,sin sin arcsinsin2 cos arcsincos 01 01 22 01 c 01 r a rrrr ha a r a a a (16) где ;cos2 a 22 a01 haaahar Δr Δr ' θ пад θ пад θ θ' r 2 ' r 1 ' r 2 r 1 3 m ax 10 I I 3 2 1 0 –6 –3 Δφ, град 3 0 Д. Д. Халамейда / Инструментальные ошибки интерферометрического… _________________________________________________________________________________________________________________ 509 a a a ha a har cos cos arcsincos c a ; 01 sin arccos r a aa . На рис. 13 приведена зависимость угла визирования точки зеркального отражения от угла места спутника ,а полученная в результате численного решения трансцендентного уравнения (16) для разных высот установки радиоинтерфе- рометра (гладкая и пунктирная кривые соответ- ствуют диапазону установки антенн 5010ah м). Как оказалось, для спутников, угол места которых превышает ,1 a высота антенн практически не влияет на угол прихода отраженного луча в широком интервале высот установки антенн ( 100ah м). Рис. 13. Зависимость угла визирования точки зеркального отражения от угла места ИСЗ Это обусловлено малостью параметра 1 c a h h , в связи с чем расстояние до точки зер- кального отражения увеличивается пропорцио- нально высоте установки антенн (рис. 14), причем в случае 3a зависимость практически ли- нейна (рис. 15), что позволяет аппроксимировать выражение (16) простым соотношением .2 а Рис. 14. Зависимость расстояния точки зеркального отражения r1 от угла места ИСЗ Рис. 15. Зависимость угла визирования точки зеркального отражения в от угла места ИСЗ В связи со сложной лепестковой структу- рой излучения антенны (11) совпадение угла ви- зирования точки зеркального отражения с нулем в ДН антенны весьма маловероятно, поэтому для оценки влияния подстилающей поверхности це- лесообразно аппроксимировать структуру боко- вого излучения антенны в виде огибающей боко- вых лепестков [25] ,; sin 2 5,6 0 2 5 d k F (17) где 0 – ширина главного лепестка в ДН антенны. На рис. 16 показан пример ДН интерферометра с использованием (17), которая имеет смысл оценки «сверху» и в дальнейшем использована для описа- ния влияния подстилающей поверхности на точ- ность измерения угла прихода .а Рис. 16. Огибающая боковых лепестков ДН интерферометра (17) Чтобы провести численный анализ влия- ния подстилающей поверхности, запишем выра- жение (14) в следующем виде: , 2 21 21 0д 21 21 r e r e r e r e II rkjrjk krjjkr (18) где j e F F 0  – общее ослабление зеркаль- но отраженного луча. Выполняя преобразования, Д. Д. Халамейда / Инструментальные ошибки интерферометрического… _________________________________________________________________________________________________________________ 510 аналогичные (15), выражение (18) можно запи- сать в симметричном виде CBAF P P 02 2 0 д , (19) где )cos(1 rkA , rkB cos1 2 , )(cos )(cos )(cos )(cos 12 21 22 11 rrk rrk rrk rrk C  . Численный анализ (19) показал, что по- грешность измерения угла прихода отклоня- ется в положительную или отрицательную об- ласть в зависимости от фазы коэффициента отра- жения (рис. 17) и убывает по экспоненциаль- ному закону при уменьшении модуля общего ос- лабления зеркально отраженного луча  (рис. 18). Рис. 17. Зависимость погрешности измерения угла прихода от фазы коэффициента отражения от подстилающей поверхности при 8 дБ На рис. 18 область вероятных значений погрешности измерения угла прихода выделена серым цветом. Расчет проведен для следующих параметров трассы: 50ah м; 36000ch км; ;4,4  a 56,3d м; 5,1D м; 3,8 см. Для обеспечения необходимой точности измерений множитель ослабления зеркального луча не дол- жен превышать значение )3025( дБ. Рис. 18. Погрешность измерения угла прихода, обусловленная влиянием подстилающей поверхности Выводы. Таким образом, для измерения градиента показателя преломления тропосферы предложено использовать радиоинтерферометр, который позволяет определять угол прихода сиг- налов геостационарного спутника. Для измерения градиента показателя преломления с точностью 9101 точность измерения угла прихода должна быть не хуже 0,1 угл. мин. Проанализированы требования к отдельным составляющим точности измерений, в том числе: погрешность измерений вследствие влияния шумов приемника, неста- бильности положения фазового центра антенн, нестабильности параметров фидерного тракта, погрешность измерений, обусловленная неточно- стью определения положения спутника на орбите и влияния подстилающей поверхности. Показано, что отношение сигнал – шум приемника должно быть не менее 30÷40 дБ; положение антенн должно выдерживаться с точностью ≤ 0,05 мм (база интерферометра 50d ); для уменьшения влияния многолучевого распространения ослаб- ление зеркального луча должно быть не менее 3025 дБ, что требует применения антенн с низ- ким уровнем бокового излучения в широком диа- пазоне углов. 1. Гонтарь И. Д., Тургенев И. С., Синицкий В. Б., Ширмано- ва С. И. Экспериментальные исследования возможности применения интерферометрического метода радиопросве- чивания атмосферы с ИСЗ для диагностики условий рас- пространения радиоволн. – Харьков, 1989. – 17 с. – (Препр. / АН Украины. Ин-т радиофизики и электрон.; № 90-4). 2. Отчет по НИР «Радар-1» / Рук. С. И. Хоменко Гос. рег. 01.974006565. – Харьков: Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. – 2001. – 195 с. 3. Синицкий В. Б., Тургенев И. С., Ширманов С. И. Измере- ние и расчет углов атмосферной рефракции по радиозахо- дам ИСЗ над морем // Радиотехника. Харьков. гос. ун-т. – 1993. – № 96. – С. 52-60. 4. Гайкович К. П. О наземной доплеровской радиорефракто- метрии атмосферы // Изв. вузов. Радиофизика. – 1992. – 35, № 3,4. – С. 211-219. 5. Гайкович К. П., Гурвич А. С., Наумов А. П. О восстановле- нии метеопараметров по внутренним измерениям оптиче- ской рефракции космических источников // Изв. АН СССР. ФАО. – 1983. – 19, № 7. – С. 675-682. 6. Богатуров А. Н., Гайкович К. П., Гурвич А. С. О возмож- ности определения отражающих слоев в тропосфере над морем по вариациям уровня радиосигналов ИСЗ // Докл. АН СССР. – 1990. – 315, № 4. – С. 830-834. 7. Павельев А. Г. К решению обратной задачи рефракции // Радиотехника и электрон. – 1980. – 25, № 12. – С. 2504- 2509. 8. Павельев А. Г. Решение обратной задачи рефракции // Ра- диотехника и электрон. – 1982. – 27, № 5. – С. 1037-1039. 9. Колосов М. А., Павельев А. Г. Радиопросвечивание атмо- сферы при помощи источников искусственного и естест- венного происхождений // Радиотехника и электрон. – 1982. – 27, № 12. – С. 2310-2317. 10. Арманд Н. А., Андрианов В. А., Смирнов В. М. Восстановле- ние профиля коэффициента преломления тропосферы по измерениям частоты сигналов искусственного спутника Земли // Радиотехника и электрон. – 1987. – 32, № 4. – С. 673-680. п, угл. мин. 4 2 0 –2 –4 0 2 4 Г, рад п, угл. мин. 2 1 , дБ 0 –1 –2 10 –3 15 20 25 Д. Д. Халамейда / Инструментальные ошибки интерферометрического… _________________________________________________________________________________________________________________ 511 11. Алексеев Г. А., Белоброва М. В. Об уравнении обратной задачи рефракции типа свертки // Радиофизика и электро- ника. – Харьков: Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины. – 2003. – 8, № 2. – С. 229-230. 12. Василенко Н. А., Гайкович К. П., Сумин М. И. Восстанов- ление высотных профилей показателя преломления и ме- теорологических параметров атмосферы из измерений ас- трономической рефракции. – Горький, 1985. – 29 с. – (Препр. / АН СССР. НИРФИ; № 200). 13. Якубов В. П., Симакова Н. А. Обратная задача рефракции в атмосфере Земли // Радиотехника и электрон. – 1987. – 32, № 7. – С. 1367-1373. 14. Bean B. R., Dutton E. J., Radio meteorology, NBS monograph 92. – 1976. 15. Шабельников А. В. Эволюция проблемы рефракции элек- тромагнитных волн // Зарубеж. радиоэлектроника: Успехи современной радиоэлектроники. – 2002. – № 9. – С. 31-35. 16. Гайкович К. П., Черняева М. Б. Определение атмосферной рефракции при измерениях с различными трассами луча // Изв. вузов. Радиофизика. – 2000. – 43, № 4. – С. 304-309. 17. Калинин А. И. Распространение радиоволн на трассах наземных и космических радиолиний. – М.: Связь, 1979. – 269 с. 18. Bean B. R., Thayer G. D. Models of the atmospheric radio ref- ractive index // Proc. of the IRE – 1959. – 47, No. 5. – Р. 740- 755. 19. Колосов М. А., Шабельников А. В. Рефракция электромаг- нитных волн в атмосферах Земли, Венеры, Марса. – М.: Сов. радио, 1976. – 219 с. 20. http://www.CelesTrak.com/ 21. Hoots F. R., A Short. Efficient Analytical Satellite Theory // AIAA Paper. – 1980. – No. 80-1659. 22. Hilton C. G. Kuhlman J. R. Mathematical Models for the Space Defense Center // Philco-Ford Publication. – 1966. – No. U-3871. – Р. 17-28. 23. Кюн Р. Микроволновые антенны / Пер. с нем. под. ред. М. П. Долуханова. – Л.: Судостроение, 1967. – 517 с. 24. Янке Е., Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции. Формулы, графики, таблицы / Пер. с нем. под ред. Л. И. Седова. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литерату- ры, 1977. – 344 с. 25. Бартон Д., Вард Г. Справочник по радиолокационным измерениям / Пер с англ. под ред. М. М. Вейсбейна. – М.: Сов. радио, 1976. – 392 с. 26. Белавин О. В. Основы радиопеленгации. – М.: Сов. радио, 1977. – 320 с. 27. Троицкий В. Н. О замираниях ультракоротких волн на радиорелейных линиях связи // Электросвязь. – 1957. – № 10. – С. 32-39. INSTRUMENTAL ERRORS OF INTERFEROMETRICAL METHOD OF RESERCH ON TROPOSPHERIC REFRACTION ON PATH GEO SATELLITE – EARTH D. D. Khalameyda Possibility of using interferometer receiving radio sig- nals of Geostationary Satellite for measuring tropospheric refrac- tion index is discussed. For this reason exponential model of tro- posphere is used. Factors decreasing the accuracy of measuring of arrival angle, such as receiver noise, instability of antenna phase center location, variation of properties of feeder tract, are shown. Demands for different characteristics of interferometer are dis- cussed. Key words: refraction, interferometer, geostationary satellite. ІНСТРУМЕНТАЛЬНI ПОМИЛКИ ІНТЕРФЕРОМЕТРИЧНОГО МЕТОДУ ДОСЛІДЖЕННЯ РЕФРАКЦІЇ В ТРОПОСФЕРI НА ТРАСI ГШСЗ – ЗЕМЛЯ Д. Д. Халамейда Розглянуто можливість застосування інтерферомет- ра, що приймає радіосигнал з геостаціонарного штучного супутника Землі (ГШСЗ), для вимірювання інтегрального по трасі градієнта коефіцієнта заломлення тропосфери в рамках експоненціальної моделі тропосфери. Приведено фактори, що впливають на точність вимірювань кута приходу, такі як шу- ми приймача, нестабільність положення фазового центру антен, зміна властивостей фідерного тракту, і проведена їх оцінка. Розглянуто вимоги до різних характеристик інтерфе- рометра. Ключові слова: рефракція, інтерферометр, геоста- ціонарний супутник. Рукопись поступила 4 июля 2008 г. http://www.celestrak.com/

Инструментальные ошибки интерферометрического метода исследования рефракции в тропосфере на трассе ГИСЗ – земля

Institution

Similar Items