Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2024, № 12 · RADIO ENGINEERING

Prediction of the noise immunity of the Cospas-Sarsat satellite system based on the results of GPS-monitoring of small-scale ionospheric disturbances

V.P. Pashintsev1, V.V. Kopytov1, D.A. Mikhailov1, I.A. Boychenko2, P.A. Diptan1

1 North Caucasian Federal University, Stavropol, Russia
2 Аctionary Society "Central Research Institute of Mechanical Engineering", Korolev
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2024.12.1 UDC 621.391.01 EDN AQCJTO

Abstract

A method for predicting the interference immunity of the satellite system Cospas-Sarsat under conditions of small-scale ionospheric disturbances has been developed based on the results of GPS-monitoring of small-scale fluctuations in the total electron content of the ionosphere. Within this method, the problem of developing a technique for determining the dependence of the probability of erroneous signal reception in satellite communication systems on the choice of the carrier frequency and the signal-to-noise ratio at the receiver input, as well as fluctuations in the total electron content of the ionosphere determined by GPS-monitoring methods on the navigation path of radio wave propagation, has been solved. Based on the obtained dependence, the features of the structure and algorithm of the interference immunity prediction complex of the satellite system Cospas-Sarsat based on GPS-monitoring of small-scale fluctuations in the total electron content are justified. These features include that the inclination angle of the radio wave propagation path in the satellite radio line is initially unknown but can be calculated after solving the problem of determining the coordinates of the radio buoy at the receiver of the spacecraft. Furthermore, a hardware and software implementation of the interference immunity prediction complex of the satellite system Cospas-Sarsat based on the results of GPS ionospheric monitoring has been developed. Experimental results have been obtained regarding the change in the probability of erroneous signal reception in the Cospas-Sarsat satellite system during specified signal-to-noise ratios under conditions of small-scale ionospheric disturbances and increasing levels of ionospheric scintillation. Based on this, estimates of the energy reserve have been obtained to ensure an acceptable error probability in the Cospas-Sarsat satellite system for various values of fluctuations in the total electron content of the ionosphere (0.01 TECU; 0.015 TECU; 0.03 TECU) and levels of scintillation index (0.35; 0.55; 0.85). It has been established that to maintain an acceptable level of signal reception error probability during the formation of small-scale ionospheric disturbances over a 4-minute period, accompanied by an increase in the scintillation index to a moderate level (0.55), an increase in the energy reserve of 4.6 dB will be required. In the event of strong scintillations lasting for 20 seconds (at a level of 0.85), it will be necessary to raise the energy reserve of the Cospas-Sarsat satellite system by 13 dB.

  • satellite communications
  • Cospas-Sarsat
  • noise immunity
  • ionosphere
  • total electron content
  • small-scale fluctuations
  • GPS-monitoring
  • scintillation index
  • energy reserve
Аннотация (на русском)

Прогнозирование помехоустойчивости спутниковой системы Коспас-Сарсат на основе результатов GPS-мониторинга мелкомасштабных возмущений ионосферы

Разработан метод прогнозирования помехоустойчивости спутниковой системы Коспас-Сарсат в условиях мелкомасштабных возмущений ионосферы на основе результатов GPS-мониторинга мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания ионосферы при произвольных углах возвышения трасс спутниковой связи и навигации. В рамках данного метода разработана методика определения зависимости вероятности ошибки в системах спутниковой связи от несущей частоты и отношения сигнал/шум на входе приемника, а также флуктуаций полного электронного содержания ионосферы на навигационной трассе распространения радиоволн. На этой основе обоснованы особенности структуры построения комплекса прогнозирования помехоустойчивости спутниковой системы Коспас-Сарсат, использующей GPS-мониторинг флуктуаций полного электронного содержания ионосферы, и алгоритма его работы. Разработана аппаратно-программная реализация комплекса прогнозирования помехоустойчивости спутниковой системы Коспас-Сарсат на основе результатов GPS-мониторинга ионосферы и получены экспериментальные результаты изменения вероятности ошибочного приема сигналов при заданном отношении сигнал/шум во время мелкомасштабных возмущений ионосферы и увеличения индекса мерцаний принимаемых сигналов. Построены зависимости вероятности ошибочного приема сигналов в спутниковой системе Коспас-Сарсат от отношения сигнал/шум на входе приемника при индексах ионосферных мерцаний нормального уровня (для среднеширотной ионосферы), а также для среднего и сильного уровня мерцаний в условиях мелкомасштабных возмущений ионосферы. Обосновано, что для обеспечения допустимого значения вероятности ошибочного приема сигналов при образовании в течение 4 минут мелкомасштабных возмущений ионосферы, сопровождаемых повышением индекса мерцаний до среднего уровня, потребуется увеличить энергетический запас до 4,6 дБ. При действии в течение 20 секунд сильных мерцаний необходимо повысить энергетический запас в спутниковой системе Коспас-Сарсат до 13 дБ.

For citation

Pashintsev V.P., Kopytov V.V., Mikhailov D.A., Boychenko I.A., Diptan P.A. Prediction of the noise immunity of the Cospas-Sarsat satellite system based on the results of GPS-monitoring of small-scale ionospheric disturbances // Journal of Radio Electronics. – 2024. – No. 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.12.1

References

  1. Specification for second-generation COSPAS-SARSAT 406 MHz distress beacons. C/S T.018. Issue 1, 2016. 72 р.
  2. International Cospas-Sarsat Programme. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/International_Cospas-Sarsat_Programme
  3. Урличич Ю.М., Макаров Ю.Ф., Селиванов А.С., Никушкин И.В. и др. Принцип действия и основные характеристики системы КОСПАС // T-comm. Телекоммуникации и транспорт. 2014. № 4. С.15-19.
  4. Назаров Л.Е., Антонов Д.В., Батанов В.В., Зудилин А.С., Смирнов В.М. Модели сцинтилляции сигналов при распространении по ионосферным спутниковым радиолиниям // Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. - 2019. - Т. 11. - №. 1. - С. 57-64. https://doi.org/10.17725/Rensit.2019.11.057
  5. Назаров Л.Е., Смирнов В.М. Оценивание вероятностных характеристик приема сигналов с использованием моделей замираний при распространении по трансионосферным линиям // Журнал радиоэлектроники. - 2020. - № 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.11.7
  6. Назаров Л.Е., Смирнов В.М. Вероятностные характеристики приема сигналов с замиранием при распространении по спутниковым ионосферным радиолиниям. // Физические основы приборостроения. 2020. Т. 9. № 4(38). - С. 18-23. https://doi.org/10.25210/jfop-2004-018023
  7. Пашинцев В.П., Цимбал В.А., Песков М.В., Тоискин В.Е. Метод GPS-мониторинга мелкомасштабных неоднородностей ионосферы и его применение для прогноза помехоустойчивости систем спутниковой связи // Радиотехника. - 2023. - Т. 87. - № 10. - С. 131-146. https://doi.org/10.18127/j00338486-202310-14
  8. V. Pashintsev, M. Peskov, D. Mikhailov, M. Senokosov, D. Solomonov. Method for GPS-Monitoring of Small-Scale Fluctuations of the Total Electron Content of the Ionosphere for Predicting the Noise Immunity of Satellite Communications // Ionosphere - New Perspectives. Edited by Yann-Henri H. Chemin. London: IntechOpen, 2023. P. 13-33. https://doi.org/10.5772/intechopen.1001096
  9. Pashintsev V.P., Peskov M.V., Kalmykov I.A., Zhuk A.P., Toiskin V.E. Method for forecasting of interference immunity of low frequency satellite communication systems // AD ALTA-Journal of interdisciplinary research. 2020. Т. 10. № 1. С. 367-375. https://doi.org/10.33543/1001
  10. Rino C.L. The Theory of Scintillation with Applications in Remote Sensing. John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, 2011, 244 p.
  11. Гундзе Е., Чжаохань Лю. Мерцания радиоволн в ионосфере // ТИИЭР. 1982. Т. 70. № 4. С. 5-45.
  12. Крейн Р.К. Мерцания радиоволн в ионосфере // ТИИЭР. 1977. Т. 65. № 2. С. 5-29. https://doi.org/10.1109/PROC.1977.10456
  13. Bogusch R.L., Gulgliano F. W., Knepp D.L. Frequency-selective scintillation effects end decision feedback equalization in high data-rate satellite links // Proceedings of the IEEE, 1983, vol. 71, N 6. P. 754-767. https://doi.org/10.1109/PROC.1983.12662
  14. Маслов О.Н., Пашинцев В.П. Модели трансионосферных радиоканалов и помехоустойчивость систем космической связи. Самара: ПГАТИ. 2006. 357 с.
  15. Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику. Ч. 2. Случайные поля. М.: Наука. 1978. 463 с.
  16. Dana R.A. Statistics of Sampled Rician Fading. Alexandria, 1993. 61 p. https://doi.org/10.21236/ada212829
  17. Simon M.K., Alouini M-S. Digital communication over fading channels: a unified approach to performance Analysis. John Wiley & Sons, Inc. 2000. 546 p.
  18. Цимбал В.А., Песков М.В., Чипига А. Ф., Пашинцев В.П. Повышение точности прогнозирования помехоустойчивости систем спутниковой радиосвязи по данным мониторинга индекса ионосферных мерцаний // Сб. трудов 23-й Междунар. науч.-технич. конф. "Радиолокация, навигация, связь". В 2-х томах. Т. 2. Воронеж: Изд-во "Научно-исследовательские публикации" (ООО "ВЭЛБОРН"). С. 575-582.
  19. Pashintsev V.P., Peskov M.V., Senokosov M.A., Mikhailov D.A., Skorik A.D. A system for measuring the scintillation index based on the results of monitoring of small-scale fluctuations in the total electron content of the ionosphere // GPS Solutions. Vol. 28. Issue 1. 2024. https://doi.org/10.1007/s10291-023-01550-1
  20. Пашинцев В.П., Песков М.В., Смирнов В.М., Смирнова Н.В., Тынянкин С.И. Методика выделения мелкомасштабных вариаций полного электронного содержания ионосферы по данным трансионосферного зондирования // Радиотехника и электроника, 2017, Т.62, №12, с. 1182-1189. https://doi.org/10.7868/S0033849417110158
  21. Захаров А. И., Яковлев О. И., Смирнов В. М. Спутниковый мониторинг Земли: Радиолокационное зондирование поверхности. М.: КРАСАНД. 2012. 248 с.
  22. Колосов М. А., Арманд Н., Яковлев О. И. Распространение радиоволн при космической связи. М.: Связь. 1969. 155 c.
  23. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов. Радио.1970. 728 с.
  24. AstraLinux [Интернет]. ООО "РусБИТех-Астра"; Доступно на: https://astralinux.ru
  25. Docker [Интернет]. Docker Inc.; Доступно на: https://www.docker.com
  26. Docker Compose [Интернет]. Docker Inc.; Доступно на: https://docs.docker.com/compose
  27. Apache Kafka [Интернет]. Apache Software Foundation; Доступно на: https://kafka.apache.org
  28. Apache Spark [Интернет]. The Apache Software Foundation; Доступно на: https://spark.apache.org
  29. ClickHouse [Интернет]. ClickHouse, Inc. HQ in the Bay Area, CA and Amsterdam, NL.; Доступно на: https://clickhouse.com
  30. Grafana [Интернет]. Grafana Labs; Доступно на: https://grafana.com
  31. Fremouw E. J. [и др.]. Early results from the DNA Wideband satellite experiment-Complex-signal scintillation // Radio Science. 1978. № 1 (13). C. 167-187.
  32. Fremouw EJ, Leadabrand RL, Livingston RC, Cousins MD, Rino CL, Fair BC, Long RA (1978). Early results from the DNA wideband satellite experiment-complex-signal scintillation // Radio Science, 1978, № 1(13), рр.167-187. https://doi.org/10.1029/RS013i001p00167
  33. Ionospheric propagation data and prediction methods required for the design of satellite services and systems. Recommendation ITU-R P.531-11. Electronic Publication, Geneva, 2012, 24 p.
  34. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. М.: Издательский дом "Вильямс". 2003. 1104 с.
  35. Пенин П.И. Системы передачи цифровой информации. М.: Сов. Радио. 1976. 364 с.
  36. Немировский М.С., Локшин Б.А., Аронов Д.А. Основы построения систем спутниковой связи. М.: Горячая линия - Телеком. 2021. 432 с.
  37. Журавлев В.И, Руднев А.Н. Цифровая фазовая модуляция. Монография. М.: Радиотехника. 2012. 208 с.