dtЦифровая трансформацияDigital Transformation2522-96132524-2822Educational Establishment “Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics”10.35596/1729-7648-2024-30-4-50-61dt-885Research ArticleТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИTECHNICAL SCIENCESОблик перспективной системы низкоорбитального контроля ионосферы над территорией Республики Беларусь и прилегающими регионамиAppearance of a Promising System of Low-Orbit Control of the Ionosphere over the Territory of the Republic of Belarus and Adjacent RegionsКаплярчукЕ. А.KaplarchukE. A.

Каплярчук Е. А., инж.-програм., фрилансер

 

Kaplarchuk Ya. A., Software Engineer, Freelancer

КозловС. В.KozlovS. V.

Козлов Сергей Вячеславович, д-р техн. наук, проф., проф. каф. информационных радиотехнологий

220013, г. Минск, ул. П. Бровки, 6

Kozlov Sergey Vyacheslavovich, Dr. of Sci. (Tech.), Professor, Professor at the Department of Information Radiotechnologies

220013, Minsk, P. Brovki St., 6

kozlov@bsuir.byКротА. М.KrotA. M.

Крот А. М., д-р техн. наук, проф., зав. лаб. самоорганизующихся систем

Krot A. M., Dr. of Sci. (Tech.), Professor, Head of the Laboratory of Self-Organizing Systems

СавиныхИ. Э.SavinykhI. E.

Савиных И. Э., магистрант, инж.-програм. лаб. самоорганизующихся систем

Savinykh I. E., Master’s Student, Software Engineer at the Laboratory of Self-Organizing Systems

ШапкинА. С.ShapkinA. S.

Шапкин А. С., асп.

Shapkin A. S., Graduate Student

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиBelarusian State University of Informatics and RadioelectronicsОбъединенный институт проблем информатики Национальной академии наук БеларусиUnited Institute of Informatics Problems of the National Academy of Sciences of Belarus2024051220243045061Copyright © Каплярчук Е.А., Козлов С.В., Крот А.М., Савиных И.Э., Шапкин А.С., 20242024Каплярчук Е.А., Козлов С.В., Крот А.М., Савиных И.Э., Шапкин А.С.Kaplarchuk E.A., Kozlov S.V., Krot A.M., Savinykh I.E., 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://dt.bsuir.by/jour/article/view/885

Обоснованы состав и характеристики системы низкоорбитального контроля ионосферы над территорией Республики Беларусь и прилегающими регионами земного шара. Данная система построена на базе спутников-ретрансляторов сигналов глобальной навигационной спутниковой системы GPS на выделенные для геофизических исследований частоты 150/400 МГц, модернизированной аппаратуры приемных пунктов национальной спутниковой системы точного позиционирования, телекоммуникационных каналов общего пользования и группы серверов обработки принятых сигналов и оценивания полного электронного содержания в ионосфере. Система низкоорбитального контроля ионосферы предназначена для выдачи данных по полному электронному содержанию на трассах спутник-ретранслятор – приемный пункт спутниковой системы точного позиционирования при восстановлении электронного содержания в ионосфере методами радиотомографии. Разработаны рекомендации по орбитальным параметрам спутников-ретрансляторов, требования к бортовому ретранслятору, антенной системе и дополнительному приемному каналу аппаратуры приемных пунктов спутниковой системы точного позиционирования, определены объем циркулирующей в системе информации и требования к серверам обработки. Разработан цифровой двойник системы низкоорбитального контроля ионосферы. Показано, что предлагаемая система низкоорбитального контроля при пролете спутников-ретрансляторов по орбите над территорией Беларуси и прилегающими регионами за время 10–15 мин обеспечивает увеличение объема данных для решения радиотомографической задачи в сравнении с существующим высокоорбитальным методом на 5400 измерений с расстояниями по точкам «прокола» ионосферы порядка единиц километров в азимутальном секторе относительно условного центра системы 120°–150°.

The article substantiates the composition and characteristics of the low-orbit ionosphere monitoring system over the territory of the Republic of Belarus and adjacent regions of the globe. This system is based on satellites-repeaters of signals of the global navigation satellite system GPS on the frequencies of 150/400 MHz allocated for geophysical research, modernized equipment of receiving points of the national satellite system of precise positioning, public telecommunication channels and a group of servers for processing received signals and estimating the total electron content in the ionosphere. The low-orbit ionosphere monitoring system is designed to provide data on the total electron content on the routes repeater satellite – receiving point of the satellite system of precise positioning when restoring the electron content in the ionosphere using radio tomography methods. Recommendations have been developed on the orbital parameters of the repeater satellites, requirements for the on-board repeater, antenna system and additional receiving channel of the equipment of receiving points      of the satellite system of precise positioning, the volume of information circulating in the system and the requirements for the processing servers are determined. A digital twin of the low-orbit ionosphere monitoring system has been developed. It has been shown that the proposed low-orbit monitoring system, when relay satellites fly in orbit over the territory of Belarus and adjacent regions for 10–15 minutes, provides an increase in the volume of data for solving the radiotomographic problem in comparison with the existing high-orbit method of 5400 measurements with distances at the ionosphere “puncture” points of the order of several kilometers in the azimuthal sector relative to the conventional center of the system 120°–150°.

ионосфераполное электронное содержаниеспутник-ретрансляторнавигационный сигналцифровое диаграммообразованиесерверспутниковая система точного позиционированияionospheretotal electron contentrepeater satellitenavigation signaldigital chartingserversatellite precision positioning systemРабота выполнена при частичной финансовой поддержке по опытно-конструкторской работе по договору № 220/12 «Разработать алгоритмические и программные средства обработки радио-томографических данных низкоорбитального контроля ионосферы» (2022–2025) в рамках мероприятия подпрограммы 6 «Исследование и использование космического пространства в мирных целях» Государственной программы «Наукоемкие технологии и техника» на 2021–2025 гг. и научно-исследовательской работе по договору № 9СГ3.3-220 «Разработать аппаратно-программный и алгоритмический комплекс радиометрического анализа динамических состояний ионосферы» (2023–2026) в рамках научно-технической программы Союзного государства «Комплекс-СГ».This work was partially sponsored by the Belarusian Republican Foundation for Fundamental Re search under project No F20R-329 “Theoretical Foundations for the Study of Wave Processes and Phenomena in the Ionosphere Using Signals from Satellite Radio Navigation Systems”, under research and development work under contract No 220/12 “Develop algorithmic and software tools for processing radio tomographic data from low-orbit ionosphere monitoring” (2022–2025) within the framework of subprogram 6 “Exploration and Use of Outer Space for Peaceful Purposes” of the State Program “Science-Intensive Technologies and Technology” for 2021–2025 and research work under contract No 9SG3.3-220 “Develop a hardware, software and algorithmic complex for radiometric analysis of the dynamic states of the ionosphere” (2023–2026) within the framework of the scientific and technical program of the Union State “Complex-SG”.ReferencesКуницын, В. Е. Радиотомография ионосферы / В. Е. Куницын, Е. Д. Терещенко, Е. С. Андреева. М.: Физматлит, 2007.Kunitsyn V. E., Tereshchenko E. D., Andreeva E. S. (2007) Radiotomography of the Ionosphere. Moscow, Fizmatlit Publ. (in Russian).Афраймович, Э. Л. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли / Э. Л. Афраймович, Н. П. Перевалова. Иркутск: Вост.-Сиб. науч. центр Сиб. отд. Рос. акад. мед. наук, 2006.Afraimovich E. L., Perevalova N. P. (2006) GPS Monitoring of the Earth’s Upper Atmosphere. Irkutsk, East Siberian Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Medical Sciences (in Russian).Ясюкевич, Ю. В. Развитие диагностических возможностей приемников сигналов глобальных навигационных спутниковых систем для мониторинга состояния ионосферы и коррекции ионосферной ошибки в радиотехнических системах / Ю. В. Ясюкевич. Иркутск: Ин-т солн.-зем. физики Сиб. отд. Рос. акад. наук, 2023.Yasyukevich Yu. V. (2023) Development of Diagnostic Capabilities of Signal Receivers of Global Navigation Satellite Systems for Monitoring the State of the Ionosphere and Correcting Ionospheric Errors in Radio Systems. Irkutsk, Institute of Solar-Terrestrial Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (in Russian).Семейство наноспутников изучения ионосферы на базе платформы SamSat разработки Самарского университета / И. В. Белоконов [и др.] // Восьмой Белорусский космический конгресс: матер. конгресса, в 2 т., г. Минск, 25–27 октября 2022 г. Минск: Объед. ин-т пробл. информ. Нац. акад. наук 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. (2022) Family of Nanosatellites for Studying the Ionosphere Based on the SamSat Platform Developed by Samara University. Eighth Belarusian Space Congress, Materials of the Congress, Vol. 1, Oct. 25–27. Minsk, United Institute of Informatics Problems of the National Academy of Sciences of Belarus. 167–170 (in Russian).Application of FORMOSAT-3/COSMIC Mission to Global Earth Monitoring / C.-J. Fong [et al.] // Space 2005, Long Beach, California, 30 Aug.–1 Sept. 2005. Long Beach, 2005. https://doi.org/10.2514/6.2005-6774.Chen-Joe Fong, Bor-Han Wu, Nick Yen, Paul Chen (2005) Application of FORMOSAT-3/COSMIC Mission to Global Earth Monitoring. Space 2005, Long Beach, California, 30 Aug.–1 Sept. Long Beach. https://doi. org/10.2514/ 6.2005-6774.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 «Всерос. Науч.-иссл. ин-т электромех.». М.: Всерос. Науч.-иссл. ин-т электромех., 2009. Т. 111. С. 31–36.Romanov A. A., Novikov A. V. (2009) Measurement of the Total Electron Content of the Earth’s Ionosphere Using a Multi-Frequency Coherent Sounding Signal. Problems of Electromechanics, Tr. Scientific and Production Enterprise “All-Russian Research Institute of Electromechanics”, Vol. 111. Moscow, Scientific and Production Enterprise “All-Russian Research Institute of Electromechanics”. 31–36 (in Russian).Determination of Total Electron Content in the Ionosphere over the Territory of the Republic of Belarus Based on Global Navigation Satellite Systems Data / A. O. Naumov [et al.] // Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-Technical Series. 2024. Vol. 69, No 1. P. 53–64.Naumov A. O., Khmarskiy P. A., Byshnev N. I., Piatrouski M. A. (2024) Determination of Total Electron Content in the Ionosphere over the Territory of the Republic of Belarus Based on Global Navigation Satellite Systems Data. Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-Technical Series. 69 (1), 53–64.Methods and Software for Estimation of Total Electron Content in Ionosphere Using GNSS Observations / A. Naumov [et al.] // Engineering Applications. 2023. Vol. 2, No 3. Р. 243–253.Naumov A., Khmarskiy P., Byshnev N., Piatrouski M. (2023) Methods and Software for Estimation of Total Electron Content in the Ionosphere Using GNSS Observations. Engineering Applications. 2 (3), 243–253.Accuracy of Global Ionosphere Maps in Relation to Their Time Interval / В. Milanowska [et al.] // Remote Sens. 2021. No 13.Milanowska B., Wielgosz P., Krypiak-Gregorczyk A., Jarmołowski W. (2021) Accuracy of Global Ionosphere Maps in Relation to Their Time Interval. Remote Sens. (13).Wang, Y. Estimation and Analysis of GNSS Differential Code Biases (DCBs) Using a Multi-Spacing Software Receiver / Y. Wang, L. Zhao, Y. Gao // Sensors (Basel). 2021. Vol. 21, No 2.Wang Y., Zhao L., Gao Y. (2021). Estimation and Analysis of GNSS Differential Code Biases (DCBs) Using a Multi-Spacing Software Receiver. Sensors (Basel). 21 (2).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/10.37661/1816-0301-2023-20-2-7-27.Belokonov I. V., Krot A. М., Kozlov S. V., Kapliarchuk Y. А., Savinykh I. E., Shapkin А. S. (2023) A Method for Estimating the Total Electron Content in the Ionosphere Based on the Retransmission of Signals from the Global Navigation Satellite System GPS. Informatics. 20 (2), 7–27. https://doi.org/10.37661/1816-0301-2023-20-2-7-27 (in Russian).Обработка ретранслированных навигационных сигналов глобальной навигационной спутниковой системы GPS в задаче оценивания полного электронного содержания в ионосфере / Е. А. Каплярчук [и др.] // Информатика. 2023. Т. 20, № 3. С. 21–36. https://doi.org/10.37661/1816-0301-2023-20-3-21-36.Kapliarchuk Y. А., Kozlov S. V., Savinykh I. E., Shapkin А. S. (2023) Processing of Relayed Navigation Signals of the Global Navigation Satellite System GPS in the Problem of Estimating the Total Electron Content in the Ionosphere. Informatics. 20 (3), 21–36. https://doi.org/10.37661/1816-0301-2023-20-3-21-36 (in Russian).Руководство по использованию глобальных навигационных спутниковых систем при выполнении работ по технической инвентаризации и проверке характеристик недвижимого имущества. Версия 1.0. Минск: Науч.-произв. гос. респ. предпр. «Нац. кадастр. агентс.», 2018.Guidelines for the Use of Global Navigation Satellite Systems when Performing Work on Technical Inventory and Checking the Characteristics of Real Estate. Version 1.0. Minsk, Scientific and Production State Republican Enterprise “National Cadastral Agency”, 2018 (in Russian).Дэвис, К. Радиоволны в ионосфере, пер. с англ. / К. Дэвис. М.: Мир, 1973.Davies K. (1969) Ionospheric Radio Waves. Moscow, Mir Publ. (in Russian).

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