informИнформатикаInformatics1816-03012617-6963UIIP NASB10.37661/1816-0301-2023-20-2-7-27inform-1239Research ArticleКОСМИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ГЕОИНФОРМАТИКАSPACE INFORMATION TECHNOLOGY AND GEOINFORMATICSСпособ оценивания полного электронного содержания в ионосфере на основе ретрансляции сигналов глобальной навигационной спутниковой системы GPSA method for estimating the total electron content in the ionosphere based on the retransmission of signals from the global navigation satellite system GPSБелоконовИ. В.BelokonovI. V.

Белоконов Игорь Витальевич, доктор технических наук, профессор, заведующий межвузовской кафедрой космических исследований

ул. Московское шоссе, 34, Самара, 443086

Igor V. Belokonov, D. Sc. (Eng.), Prof., Head of the Interuniversity Department of Space Research

st. Moscow highway, 34, Samara, 443086

priem@ssau.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0705-010XКротА. М.KrotA. М.

Крот Александр Михайлович, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией модели- рования самоорганизующихся систем

ул. Сурганова, 6, Минск

Alexander M. Krot, D. Sc. (Eng.), Prof., Head of the Laboratory of Self-organization System Modeling

st. Surganova, 6, Minsk, 220012

alxkrot@newman.bas-net.byКозловС. В.KozlovS. V.

Козлов Сергей Вячеславович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры информационных радиотехнологий

ул. П. Бровки, 6, Минск, 220012

Sergey V. Kozlov, D. Sc. (Eng.), Prof., Рrof. at the Information Radioengineering Department

st. P. Brovki, 6, Minsk, 220012

korvin092@gmail.comКаплярчукЕ. А.KapliarchukY. А.

Каплярчук Евгений Александрович, аспирант кафедры информационных радиотехнологий

ул. П. Бровки, 6, Минск, 220012

Yauheni А. Kapliarchuk, Postgraduate Student at the Information Radioengineering Department

st. P. Brovki, 6, Minsk, 220012

ek.genia13@gmail.comСавиныхИ. Э.SavinykhI. E.

Савиных Ирина Эдуардовна, инженер-программист, лаборатория моделирования самоорганизующихся систем

ул. Сурганова, 6, Минск, 220012

Irina E. Savinykh, Software Engineer, Laboratory of Self-organization System Modeling

st. Surganova, 6, Minsk, 220012

rct.savinykh@gmail.comШапкинА. С.ShapkinА. S.

Шапкин Александр Сергеевич, аспирант, лаборатория моделирования самоорганизующихся систем

ул. Сурганова, 6, Минск, 22001

Aliaksandr S. Shapkin, Postgraduate Student, Laboratory of Self-organization System Modeling

st. Surganova, 6, Minsk, 220012

shap1kin2@gmail.comСамарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. КоролеваSamara National Research University named after academician S. P. KorolevОбъединенный институт проблем информатики Национальной академии наук БеларусиThe United Institute of Informatics Problems of the National Academy of Sciences of BelarusБелорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиBelarusian State University of Informatics and Radioelectronics202329062023202727Copyright © Белоконов И.В., Крот А.М., Козлов С.В., Каплярчук Е.А., Савиных И.Э., Шапкин А.С., 20232023Белоконов И.В., Крот А.М., Козлов С.В., Каплярчук Е.А., Савиных И.Э., Шапкин А.С.Belokonov I.V., Krot A.М., Kozlov S.V., Kapliarchuk Y.А., Savinykh I.E., Shapkin А.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://inf.grid.by/jour/article/view/1239

Цели. Решается задача разработки эффективного по аппаратурным затратам способа оценивания полного электронного содержания в ионосфере на основе ретрансляции сигналов глобальной навигационной спутниковой системы GPS на двух частотах L1, L2 когерентных сигналов с использованием малогабаритного наноспутника-ретранслятора.Методы. Показано, что при ретрансляции навигационных сигналов на выделенные для геофизических исследований частоты 150/400 МГц образуется когерентная многопозиционная радиолокационная система, включающая навигационные спутники (НС) – источники сигналов, наноспутник-ретранслятор (СР) и наземные приемные пункты (ПП). Время задержки и фазы четырех принимаемых сигналов содержат информацию о суммарном полном электронном содержании на трассах распространения НС – СР и СР – ПП. За счет последующей обработки сигналов возможно выделение полного электронного содержания на каждой из трасс распространения, а также нахождение координат CР.Результаты. Определены способ и порядок оценивания полного электронного содержания по результатам обработки ретранслированных сигналов и технические требования к аппаратуре ретрансляции. Представлены характеристики точности предлагаемого метода и результаты моделирования.Заключение. Приведенные в статье сведения могут быть полезны для специалистов и исследователей, интересующихся вопросами радиотомографического изучения ионосферы и прогнозирования опасных природных явлений.

Objectives. The problem of developing hardware effective method for estimating the total electron content in the ionosphere based on retransmission of the L1, L2 signals of the global navigation satellite system GPS using a repeater nanosatellite is solved.Methods. It is shown that with the retransmission of L1, L2 signals at frequencies of 150/400 MHz allocated for geophysical research, a coherent multi-position radar system is formed, including navigation satellites (NS) – signal sources, repeater nanosatellite (SR) and ground receiving points (RP). The delay time and phase of the four received signals contain the information about the total TEC on the propagation paths NS – SR and SR – RP. It is shown that due to retransmission and subsequent processing, it is possible to isolate TECs on each of the propagation paths as well as determination of the coordinates of the SR.Results. The content of the method, the procedure for evaluating TEC based on the results of processing the relayed signals, and the technical requirements for the relay equipment are determined. The accuracy characteristics of the proposed method are obtained. Simulation results are given.Conclusion. The information presented in the article may be useful for specialists and researchers who interested in the issues of radio tomographic research of the ionosphere and forecasting hazardous natural phenomena.

глобальная навигационная спутниковая системаспутник-ретрансляторнавигационный сигналмногопозиционная радиолокационная системарадиотомографияполное электронное содержаниеglobal navigation satellite systemsatellite-retransmitternavigation signalmulti-position radar systemradio tomographytotal electronic contentРабота выполнена частично при финансовой поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (проект № Ф20Р-329 «Теоретические основы исследования волновых процессов и явлений в ионосфере с использованием сигналов спутниковых радионавигационных систем») и в рамках задания 1.10.3 (Т 103) Государственной программы научных исследований «Цифровые и космические технологии, безопасность человека, общества и государства», а также в рамках договора № 220/12 «Разработать алгоритмические и программные средства обработки радиотомографических данных низкоорбитального контроля ионосферы» (4.05.2022–31.12.2025 гг.), заключенного с УП «Геоинформационные системы» по проекту «Разработать космическую систему радиометрического контроля околоземного пространства на базе малого космического аппарата и специализированных наземных средств» (мероприятия подпрограммы 6 «Исследование и использование космического пространства в мирных целях» Государственной программы «Наукоемкие технологии и техника» на 2021–2025 гг.).This work has been partially financially supported by the Belarusian Republican Foundation for Fundamental Research (project no. F20R-329 "Theoretical foundations of the study of wave processes and phenomena in the ionosphere using signals from satellite radio navigation systems") and task 1.10.3 (T 103) of the State Program of Scientific Research "Digital and space technologies, security of man, society and the state", as well as within the framework of agreement no. 220/12 "Development of algorithmic and software tools for processing radio tomographic data of low-orbit ionosphere monitoring" (05.05.2022–12.31.2025) with UE "Geoinformation Systems" on the project "Develop a space system for radiometric monitoring of near-Earth space based on a small spacecraft and specialized ground facilities" (activities of subprogram 6 "Research and use of outer space for peaceful purposes" of the State Program "Science-intensive technologies and engineering" for 2021–2025).ReferencesКуницын, В. Е. Радиотомография ионосферы / В. Е. Куницын, Е. Д. Терещенко, Е. С. Андреева. – М. : Физматлит, 2007. – 336 с.Kunitsyn V. E., Tereshchenko E. D., Andreeva E. S. Radiotomografija ionosfery. Radio Tomography of the Ionosphere. Moscow, Fizmatlit, 2007, 336 p. (In Russ.).ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / под ред. А. И. Перова, В. Н. Харисова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М. : ИПРЖР, 2010. – 800 с.GLONASS. Principy postroenija i funkcionirovanija. GLONASS. Principles of Construction and Functioning. In A. I. Perov, V. N. Kharisov (eds.). 4th ed. Moscow, IPRZhR, 2010, 800 p. (In Russ.).Афраймович, Э. Л. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли / Э. Л. Афраймович, Н. П. Перевалова. – Иркутск : ГУ НЦ ВСНЦ СО РАН, 2006. – 480 с.Afraimovich E. L., Perevalova N. P. GPS-monitoring verhnej atmosfery Zemli. GPS Monitoring of the Earth’s Upper Atmosphere. Irkutsk, Gosudarstvennoe uchrezhdenie Nauchnyj centr Vostochno-Sibirskogo nauchnogo centra Sibirskogo otdelenija Rossijskoj akademii nauk, 2006, 480 p. (In Russ.).Семейство наноспутников изучения ионосферы на базе платформы SamSat разработки Самарского университета / И. В. Белоконов [и др.] // Восьмой Белорусский космический конгресс : материалы конгресса : в 2 т., Минск, 25–27 окт. 2022 г. – Минск : ОИПИ НАН Беларуси, 2022. – Т. 1. – С. 167–170.Belokonov I. V., Boltov E. A., Elisov N. A., Lomaka I. A., Nikolaev P. N., Shafran S. V. A family of nanosatellites for studying the ionosphere based on the SamSat platform developed by Samara University. Vos'moj Belorusskij kosmicheskij kongress : materialy kongressa : v 2 t., Minsk, 25–27 oktjabrja 2022 g. [Eighth Belarusian Space Congress : Materials of the Congress : in 2 Volumes, Minsk, 25–27 October 2022]. Minsk, Ob''edinennyj institut problem informatiki Nacional'noj akademii nauk Belarusi, 2022, рр. 167–170 (In Russ.).Application of FORMOSAT-3/COSMIC mission to global Earth monitoring / C.-J. Fong [et al.] // Space 2005, Long Beach, California, 30 Aug. – 01 Sept. 2005. – Long Beach, 2005. – Р. 6774. https://doi.org/10.2514/6.2005-6774Fong C.-J., Wu B.-H., Yen N., Chen P. Application of FORMOSAT-3/COSMIC mission to global Earth monitoring. Space 2005, Long Beach, California, 30 August – 01 September 2005. Long Beach, 2005, р. 6774. https://doi.org/10.2514/6.2005-6774Романов, А. А. Измерение полного электронного содержания ионосферы Земли с помощью многочастотного когерентного зондирующего сигнала / А. А. Романов, А. В. Новиков // Вопросы электромеханики. Тр. НПП ВНИИЭМ. – М. : ФГУП «НПП ВНИИЭМ», 2009. – Т. 111. – С. 31–36.Romanov A. A., Novikov A. V. Measurement of the total electron content of the Earth's ionosphere using a multi-frequency coherent sounding signal. Voprosy jelektromehaniki. Trudy Nauchno-proizvodstvennogo predprijatija Vserossijskogo nauchno-issledovatel'skogo instituta jelektromehaniki [Questions of electromechanics. Proceedings of the Research and Production Enterprise of the All-Russian Research Institute of Electromechanics], Moscow, Federal'noe gosudarstvennoe unitarnoe predprijatie "Nauchno-proizvodstvennoe predprijatie – Vserossijskij nauchno-issledovatel'skij institut jelektromehaniki s zavodom im. A. G. Iosif'jana", 2009, vol. 111, pp. 31–36 (In Russ.).Анализ современных возможностей создания малых космических аппаратов для дистанционного зондирования Земли / Н. Н. Севастьянов [и др.] // Тр. МФТИ. – 2009. – Т. 1, № 3. – C. 15–23.Sevastyanov N. N., Branets V. N., Panchenko V. A., Kazinsky N. V., Kondranin T. V., Negodyaev S. S. Analysis of Modern Possibilities of Creating Small Spacecraft for Remote Sensing of the Earth. Trudy Moskovskogo fiziko-tehnicheskogo instituta [Proceedings of the Moscow Institute of Physics and Technology], 2009, vol. 1, no. 3, pp. 15–23 (In Russ.).Использование сигналов ГНСС для исследования состояния ионосферы / И. В. Белоконов [и др.] // Навигация и управление движением : тез. докл. Междунар. семинара, Самара, 28 сент. – 2 окт. 2020 г. / Самар. нац. исслед. ун-т им. С. П. Королѐва. – Самара, 2020. – С. 85–86.Belokonov I. V., Krot A. M., Kumarin A. A., Nikolaev P. N., Filonin O. V. Use of GNSS signals to study the state of the ionosphere. Navigacija i upravlenie dvizheniem : tezisy dokladov Mezhdunarodnogo seminara, Samara, 28 sentjabrja – 2 oktjabrja 2020 g. Samarskij nacional'nyj issledovatel'skij universitet imeni akademika S. P. Koroleva. Navigation and Traffic Control : Abstracts of Reports of the International Seminar, Samara, 28 September – 2 October 2020. Samara, Samara National Research University named after academician S. P. Korolev, 2020, pp. 85–86 (In Russ.).Николаев, П. Н. Алгоритм быстрой обратной проекции с фильтрацией в 2D-ионосферной радиотомографии с использованием межспутниковых измерений / П. Н. Николаев, О. В. Филонин, И. В. Белоконов // Advances in Space Research. – 2021. – Т. 68, № 10. – С. 4167–4188. https://doi.org/10.1016/j.asr.2021.07.042Nikolaev P. N., Filonin O. V., Belokonov I. V. Fast back projection algorithm with filtering in 2D ionospheric radio tomography using intersatellite measurements. Advances in Space Research, 2021, vol. 68, no. 10, pp. 4167–4188. https://doi.org/10.1016/j.asr.2021.07.042Ширман, Я. Д. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех / Я. Д. Ширман, В. Н. Манжос. – М. : Радио и связь, 1981. – 416 с.Shirman Ya. D., Manzhos V. N. Teorija i tehnika obrabotki radiolokacionnoj informacii na fone pomeh. Theory and Technique of Processing Radar Information Against the Background of Interference. Moscow, Radio i svjaz', 1981, 416 p. (In Russ.).Саврасов, Ю. С. Алгоритмы и программы в радиолокации / Ю. С. Саврасов. – М. : Радио и связь, 1985. – 216 с.Savrasov Yu. S. Algoritmy i programmy v radiolokacii. Algorithms and Programs in Radar. Moscow, Radio i svjaz', 1985, 216 p. (In Russ.).Купряшкин, И. Ф. Малогабаритные многофункциональные РЛС с непрерывным частотно-модулированным излучением. – М. : Радиотехника, 2020. – 280 с.Kupryashkin I. F. Malogabaritnye mnogofunkcional'nye RLS s nepreryvnym chastotno-modulirovannym izlucheniem. Small-sized Multifunctional Radars with Continuous Partial-modulated Radiation. Moscow, Radiotehnika, 2020, 280 p. (In Russ.).Ле, В. К. Алгоритмы длительного когерентного накопления отраженного сигнала при ненулевых высших производных дальности до радиолокационной цели в спектральной области / В. К. Ле, С. В. Козлов // Докл. БГУИР. – 2021. – № 5. – С. 35–44. http://dx.doi.org/10.35596/1729-7648-2021-19-5-35-44Le V. K., Kozlov S. V. Algorithms for long-term coherent accumulation of the reflected signal with non-zero higher derivatives of the distance to the radar target in the spectral region. Doklady Belorusskogo gosudarstvennogo universiteta informatiki i radioèlektroniki [Reports of the Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics], 2021, no. 5, pp. 35–44 http://dx.doi.org/10.35596/1729-7648-2021-19-5-35-44 (In Russ.).Куан, Н. В. Пассивная радиолокационная система мониторинга движения судов в прибрежных районах с использованием спутниковых сигналов подсвета / Н. В. Куан // Изв. высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. – 2020. – Т. 23, № 3. – C. 41–52. https://doi.org/10.32603/1993-8985-2020-23-3-41-52Kuan N. V. Passive radar system for monitoring the movement of ships in coastal areas using satellite illumination signals. Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij Rossii. Radiojelektronika [News of higher educational institutions in Russia, Radioelectronics], 2020, vol. 23, no. 3, pp. 41–52. https://doi.org/10.32603/1993-8985-2020-23-3-41-52 (In Russ.).Beacon satellite receiver for ionospheric tomography / J. Vierinen [et al.] // Radio Science. – 2014. – Vol. 49, iss. 12. – P. 1141–1152. https://doi.org/10.1002/2014RS005434Vierinen J., Norberg J., Lehtinen M. S., Amm O., Roininen L., Väänänen A., Erickson P. J., McKay-Bukowski D. Beacon satellite receiver for ionospheric tomography. Radio Science, 2014, vol. 49, iss. 12, pp. 1141–1152. https://doi.org/10.1002/2014RS005434Дэвис, К. Радиоволны в ионосфере : пер. с англ. / К. Дэвис. – М. : Мир, 1973. – 502 с.Davies K. Ionospheric Radio Waves. Blaisdell Publishing Company, 1969, 460 р.Тихонов, В. И. Оптимальный прием сигналов. – М. : Радио и связь, 1983. – 320 с.Tikhonov V. I. Optimal'nyj priem signalov. Optimum Signal Reception. Moscow, Radio i svjaz', 1983, 320 p. (In Russ.).Генике, А. А. Глобальные спутниковые системы определения местоположения и их применение в геодезии / А. А. Генике, Г. Г. Побединский. – М. : Картгеоцентр, 2004. – 355 c.Genike A. A., Pobedinsky G. G. Global'nye sputnikovye sistemy opredelenija mestopolozhenija i ih primenenie v geodezii. Global Satellite Positioning Systems and Their Application in Geodesy. Moscow, Kartgeotsentr, 2004, 355 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.