informИнформатикаInformatics1816-03012617-6963UIIP NASB10.37661/1816-0301-2024-21-1-48-64inform-1272Research ArticleКОСМИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ГЕОИНФОРМАТИКАSPACE INFORMATION TECHNOLOGY AND GEOINFORMATICSАлгоритм оценки абсолютного полного электронного содержания ионосферы по данным двухчастотных фазовых и дальностных спутниковых измеренийAlgorithm for estimating the absolute total electron content of the ionosphere from dual-frequency phase and range satellite measurementshttps://orcid.org/0009-0009-4947-7313ШапкинА. С.ShapkinA. S.

Шапкин Александр Сергеевич, аспирант, лаборатория моделирования самоорганизующихся систем

 ул. Сурганова, 6, Минск, 220012 

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

st. Surganova, 6, Minsk, 220012

shap1kin2@gmail.comОбъединенный институт проблем информатики Национальной академии наук БеларусиThe United Institute of Informatics Problems of the National Academy of Sciences of Belarus2024290320242114864Copyright © Шапкин А.С., 20242024Шапкин А.С.Shapkin A.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/1272Цели

Цели. Решается задача разработки алгоритма оценки абсолютного полного электронного содержания ионосферы по данным двухчастотных фазовых и дальностных спутниковых измерений для одиночной приемной станции глобальных навигационных спутниковых систем.

Методы

Методы. Для получения оценки корректируются данные фазовых измерений методами цифровой обработки сигналов, применяются и комбинируются известные формулы полного электронного содержания для фазовых и дальностных измерений, оценивается дифференциальная кодовая задержка приемной станции методом наименьших квадратов.

Результаты

Результаты. Показано, что полное электронное содержание, рассчитанное по фазовым измерениям, обеспечивает высокую точность, но с точностью до неизвестной константы, а рассчитанное по дальностным измерениям позволяет получить абсолютное значение, но с большой шумовой составляющей и дифференциальной кодовой задержкой аппаратуры спутника и приемника. Разработан алгоритм оценки абсолютного полного электронного содержания ионосферы, приведены его описание и схема. Алгоритм применен для оценки полного электронного содержания за полгода наблюдений, рассчитана средняя ошибка полученной оценки.

Заключение

Заключение. Разработанный алгоритм может быть использован для оценки абсолютного полного электронного содержания ионосферы для одиночной приемной станции глобальных навигационных спутниковых систем. В отличие от теоретически известных формул для фазовых и дальностных измерений в настоящей статье содержатся сведения о корректировке фазовых измерений и оценке дифференциальной кодовой задержки приемной станции. Дальнейшие исследования могут быть связаны с адаптивным подбором параметров и тестированием алгоритма для работы с наноспутниками формата CubeSat.

 

 

Objectives

Objectives. The problem of developing an algorithm for estimating the absolute total electron content of the ionosphere from dual-frequency phase and range satellite measurements for a single receiving station of global navigation satellite systems is being solved.

Methods

Methods. To obtain an estimate the phase measurement data are corrected using digital signal processing methods, well known total electron content formulas for phase and range measurements are applied and combined, and also the differential code bias of the receiving station is estimated using the least squares method.

Results

Results. It is shown that the total electron content calculated from phase measurements provides high accuracy, but up to an unknown constant, but the content calculated from range measurements allows one to obtain the absolute value, but with a large noise component and differential code bias of a satellite and receiver equipment. An algorithm for estimating the absolute total electron content of the ionosphere has been developed, its description and diagram are given. The algorithm was used to estimate the total electronic content within six months of observations, and the average error of the resulting estimate was calculated.

Conclusion

Conclusion. The developed algorithm can be used to estimate the absolute total electron content of the ionosphere for a single receiving station of global navigation satellite systems. In contrast to theoretically known formulas for phase and range measurements, this article contains information about adjusting phase measurements and estimating the differential code delay of receiving station. Further research may be related to the adaptive selection of parameters and testing of the algorithm for working with nanosatellites of the CubeSat format.

ионосфераполное электронное содержаниеглобальная навигационная спутниковая системапоказатель преломлениядифференциальная кодовая задержкаметод наименьших квадратовIonospheretotal electron contentglobal navigation satellite systemsrefractive indexdifferential code biasleast squares methodРабота выполнена в рамках договора № 220/12 «Разработать алгоритмические и программные средства обработки радиотомографических данных низкоорбитального контроля ионосферы» (04.05.2022–31.12.2025 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 8 подпрограммы 6 «Исследование и использование космического пространства в мирных целях» Государственной программы «Наукоемкие технологии и техника» на 2021–2025 гг.), а также в рамках научно-технической программы Союзного государства «Комплекс-СГ» «Разработка аппаратного и программно-алгоритмического комплекса радиометрического анализа динамических состояний ионосферы» (2022–2026).The work is carried out within the 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), as well as within the framework of the subprogram "Development of hardware and software-algorithmic complex for radiometric analysis of dynamic states of the ionosphere" of the scientific and technical program of the Union State "Complex-SG" (2022–2026).ReferencesДэвис, К. Радиоволны в ионосфере : пер. с англ. / К. Дэвис. – М. : Мир, 1973. – 504 с.Davies K. Ionospheric Radio Waves. Blaisdell Publishing Company, 1969, 460 р.Ратклифф, Дж. А. Магнито-ионная теория и ее приложения к ионосфере : пер. с англ. / Дж. А. Ратклифф. – М. : Изд-во иностранной литературы, 1962. – 248 с.Ratcliffe J. A. The Magneto-Ionic Theory and its Applications to the Ionosphere. Cambridge, University Press, 1959, 226 p.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.).Куницын, 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.).Способ оценивания полного электронного содержания в ионосфере на основе ретрансляции сигналов глобальной навигационной спутниковой системы GPS / И. В. Белоконов [и др.] // Информатика. – 2023. – Т. 20, № 2. – С. 7–27. https://doi.org/10.37661/1816-0301-2023-20-2-7-27Belokonov I. V., Krot А. М., Kozlov S. V., Kapliarchuk Y. А., Savinykh I. E., Shapkin А. S. A method for estimating the total electron content in the ionosphere based on the retransmission of signals from the global navigation satellite system GPS. Informatika [Informatics], 2023, vol. 20, no. 2, pp. 7−27 (In Russ.). https://doi.org/10.37661/1816-0301-2023-20-2-7-27.Hofmann-Wellenhof B. Global Positioning System: Theory and Practice / B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger, J. Collins. – N. Y. : Springer-Verlag Wien, 1992. – 327 p.Hofmann-Wellenhof B., Lichtenegger H., Collins J. Global Positioning System: Theory and Practice. New York, Springer-Verlag Wien, 1992, 327 p.Variability of GPS/GLONASS differential code biases / A. A. Mylnikova [et al.] // Results in Physics. – 2015. – Vol. 5. – P. 9–10.Mylnikova A. A., Yasyukevich Yu. V., Kunitsyn V. E., Padokhin A. M. Variability of GPS/GLONASS differential code biases. Results in Physics, 2015, vol. 5, pp. 9–10.Kunitsyn, V. E. Ionospheric Tomography / V. E. Kunitsyn, E. D. Tereshenko. – Springer, 2003. – 272 p.Kunitsyn V. E., Tereshenko E. D. Ionospheric Tomography. Springer, 2003, 272 p.Atmospheric studies with the tri-band beacon instrument on the COSMIC constellation / P. Bernhardt [et al.] // Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences. – 2001. – Vol. 11, no. 1. – P. 291–312. https://doi.org/10.3319/TAO.2000.11.1.291(COSMIC)Bernhardt P., Selcher C., Basu S., Bust G., Reising S. Atmospheric studies with the tri-band beacon instrument on the COSMIC constellation. Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences, 2001, vol. 11, no. 1, pp. 291–312. https://doi.org/10.3319/TAO.2000.11.1.291(COSMIC)Романов, 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. – 2009. – Т. 111, № 4. – 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], 2009, vol. 111, no. 4, pp. 31–36 (In Russ.).Ferreira, V. Study on cycle-slip detection and repair methods for a single dual-frequency global positioning system (GPS) / V. Ferreira, X. He, X. Tang // Boletim de Ciensicas. – 2014. – Vol. 20, no. 4. – P. 984–1004.Ferreira V., He X., Tang X. Study on cycle-slip detection and repair methods for a single dual-frequency global positioning system (GPS). Boletim de Ciensicas, 2014, vol. 20, no. 4, pp. 984–1004.Cycle slip detection and repair for undifferenced GPS observation under high ionospheric activity / C. Cai [et al.] // GPS Solutions. – 2012. – Vol. 17, no. 2. – P. 247–260. https://doi.org/10.1007/s10291-012-0275-7Cai C., Liu Z., Xia P. Dai W. Cycle slip detection and repair for undifferenced GPS observation under high ionospheric activity. GPS Solutions, 2012, vol. 17, no. 2, pp. 247–260. https://doi.org/10.1007/s10291-012-0275-7Blewitt, G. An automatic editing algorithm for GPS data / G. Blewitt // Geophysical Research Letters. – 1990. – Vol. 17, no. 3. – P. 199–202.Blewitt G. An automatic editing algorithm for GPS data. Geophysical Research Letters, 1990, vol. 17, no. 3, pp. 199–202.Goad, C. Precise positioning with the global positioning system / C. Goad // Proceedings of the Third Intern. Symp. on Inertial Technology for Surveying and Geodesy, Banff, 16–20 Sept. 1985. – Banff, 1985. – P. 745–756.Goad C. Precise positioning with the global positioning system. Proceedings of the Third International Symposium on Inertial Technology for Surveying and Geodesy, Banff, 16–20 September 1985. Banff, 1985, pp. 745–756.Ya’acob, N. Determination of GPS total electron content using single layer model (SLM) ionospheric mapping function / N. Ya’acob, M. Abdullah, M. Ismail // Intern. J. of Computer Science and Network Security. – 2008. – Vol. 8, no. 9. – P. 154–160.Ya’acob N., Abdullah M., Ismail M. Determination of GPS total electron content using single layer model (SLM) ionospheric mapping function. International Journal of Computer Science and Network Security, 2008, vol. 8, no. 9, pp. 154–160.

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