Согласно [ 13 , 14 ], дополнительный сдвиг фаз гармоник спектра радиолокационного сигнала , связанный с дисперсионными свойствами ионосферы , приводит к тому , что форма принимаемого импульса , прошедшего через нее , искажается тем сильнее , чем ниже несущая частота и шире спектр зондирующего сигнала . То же происходит и с сигналом на выходе коррелятора ( например , сигнала биений ), если в качестве зондирующего сигнала используется частотномодулированное или фазоманипулированное колебание . Для проведения количественной оценки воздействия ионосферы на фазовый сдвиг гармоник эхосигнала радиовысотомера воспользуемся результатами работы [ 15 ]. Например , среднеквадратическое отклонение фазового сдвига для крайних частот спектра , вносимого ионосферой при распространении сигнала по трассе h от передающей антенны до земной поверхности и обратно к приемной антенне , может быть рассчитано по формуле :
где c – cкорость света , f 0 – средняя частота зондирующего сигнала радиовысотомера , σ e – среднеквадратическое отклонение флуктуаций концентрации электронов в ионосфере , являющееся функцией h , то есть h 1 и h 2 – нижнего и верхнего пределов интегрирования , соответствующих граничным высотам слоя F 2 ионосферы . Как показано в [ 15 ], величина σ e , помимо частоты , зависит от времени суток и сезона измерений , а также от состояния магнитосферы . Так , например , для случая средних широт , невозмущенной магнитосферы и ночных измерений σ e может составлять 1 ... 5 % от средней концентрации электронов [ 16 ]. При этом , согласно [ 15 ],
Тогда из ( 1 ) легко оценить величину σ φ для принятых в ВРВ значений средней частоты , например , равной 13,64 ГГц , и удвоенной девиации – 500 МГц . Она в этом случае будет равна σ φ ≥ 0.175 · 2π , то есть – 63 º. Это означает , что ширина спектра зондирующего сигнала , равная 500 МГц , является предельно возможной , когда вносимый ионо-сферой сдвиг фаз не приводит к существенному искажению спектра сигнала биений [ 14 ]. Однако такой фазовый сдвиг приводит к появлению ошибки измерения высоты , равной 0,36 см .
В принципе указанный сдвиг фаз может быть в значительной степени скомпенсирован [ 13 ], если известна величина текущих значений концентрации электронов в ионосферном « столбе », оцененная , например , по данным измерений приемниками GPS [ 17 ]. Суть метода компенсации заключается в использовании согласованного фильтра с комплексным коэффициентом передачи Ġ F ( ω ), причем argĠ F ( ω ) = – [ arg Ś ( ω ) – φ i ( ω )] – ωt 0 , где φ i ( ω ) = φ 0 + ω · φ 0 ' + ( ω 2 / 2 ) · φ 0 '' + ( ω 3 / 3 !) · φ 0 ''' + ( ω 4 / 4 !) · φ 0
IV
……; ω = 2πf , φ i ( ω ) – фазовый сдвиг собственно в ионосфере ;
.
( 1 )
Таблица 2 Основные составляющие ошибок ( см ) спутниковых ВРВ
Основные источники ошибок
Seasat
Тopex / Poseidon
Альтиметрия |
|
|
Флуктуационная ошибка |
10 |
2,5 ... 3,5 |
Канал распространения |
|
|
Ионосферные ошибки |
5 |
1 |
Ошибки из-за влияния атмосферы ( сухая атмосфера ) ( влажная атмосфера )
3 3
0,7 1,3
Орбитальные погрешности |
|
|
Динамические |
36 |
10 |
Слежение за орбитой 15 5
Временные отсчеты 15 5
Суммарная ошибка 45 12,5
t 0 – некоторое не зависящее от частоты время задержки . В результате использования этого метода может быть достигнуто следующее значение относительной эффективной полосы модуляции эхо-сигнала :
. ( 2 )
где ΔF – эффективная полоса спектра модуляции сигнала после осуществления процедуры фазовой коррекции ; f 0 – средняя частота сигнала ; φ 4max – максимальная фазовая ошибка компенсации фазового сдвига , определяемая четвертым членом разложения φ i ( ω ); N Σ = 10 18 м -2 – общее содержание электронов в трубке с поперечным сечением 1 м 2 . Расчеты , произведенные по этой формуле , показывают , что для предельной ΔF ВРВ , равной 500 МГЦ , дополнительная ошибка измерения высоты , связанная с влиянием ионосферы , может быть снижена до величины 0,1 см . Для сравнения укажем , что ионосферная погрешность высотомера КА Topex / Poseidon равна 1 см ( см . табл . 2 ).
Флуктуации начальной фазы сигнала , прошедшего через ионосферу , существенно сказываются на возможностях ВРВ осуществлять синтез апертуры вдоль трассы полета носителя . Например , в [ 16 ] указывается , что интервал пространственных неоднородностей ионосферы , обусловленных случайными изменениями концентрации электронов в вертикальном « столбе » составляет от 5 до 75 км , а спектр временных флуктуаций имеет полосу порядка 1 Гц . Это означает , что в худшем случае время когерентного накопления эхо-сигнала для спутникового носителя при скорости 7,5 км / c составит менее 0,6 с . При таком времени нако-
No . 1 ( 13 ) / 2018 , Морские информационно-управляющие системы 81