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