Метод мониторинга ионосферы Земли на основе использования навигационных спутниковых систем

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Смирнов Владимир Михайлович

Метод мониторинга ионосферы Земли на основе использования навигационных спутниковых систем

01.04.03. - Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Москва 2007

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН

ионосфера земля радиопросвечивание навигационный

Официальные оппоненты:

Пермяков Валерий Александрович, доктор физико-математических наук, профессор

Ружин Юрий Яковлевич, доктор физико-математических наук

Боярчук Кирилл Александрович, доктор физико-математических наук

Ведущая организация:

Государственное учреждение Научный центр аэрокосмического мониторинга «Аэрокосмос» (ЦПАМ «Аэрокосмос») Министерства образования и науки Российской Федерации и Российской академии наук

Защита состоится 2 ноября 2007 года в 10-00 на заседании диссертационного совета_Д 002.231.02 при Институте радиотехники и электроники РАН по адресу: 125009, Москва, ГСП-9, ул. Моховая, д.11, корп.7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН.

Автореферат разослан «____» сентября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук А.А.Потапов

ВВЕДЕНИЕ

Исследование физической природы, морфологии и динамических характеристик неоднородностей электронной концентрации является одной из ключевых задач физики ионосферы. Изучение особенностей распространения радиоволн в ионосфере и разработка новых методов её зондирования являются важными задачами радиофизики, которые входят в Перечень приоритетных направлений фундаментальных исследований РАН по направлениям «Физика ионосферной и межпланетной плазмы» и «Фундаментальные проблемы распространения радиоволн».

Исследование структуры ионосферы важно как для понимания физики протекающих в ней процессов, так и для решения разнообразных радиофизических задач, связанных с распространением радиоволн. Необходимость изучения ионосферы связана с эффективностью функционирования спутниковых систем радиосвязи и координатно-временного обеспечения и с тенденцией разработки радаров с синтезированной апертурой, использующих всё более низкие частоты радиоволн и способных осуществлять глубинное зондирование земных грунтов [1-4].

Важной проблемой является мониторинг состояния ионосферы над потенциально сейсмоопасными районами, поскольку установлено, что на стадии формирования сейсмического процесса ионосфера над эпицентром испытывает различные возмущения, связанные с процессом прохождения землетрясений [5-8]. Научный интерес к исследованию естественных и антропогенных процессов, происходящих в природной среде, обусловлен также тем, что их можно трактовать как активные эксперименты в ионосфере Земли и использовать возникающие при этом эффекты для решения целого ряда задач физики ионосферы, ионосферного распространения радиоволн, физики атмосферных волн и т.д.

В настоящее время для определения характеристик различных объектов используются радиофизические методы, основанные на решении обратных задач математической физики [9]. Методология исследований, базирующаяся на решении обратных задач, является одним из новых направлений в изучении процессов, происходящих в ионосфере Земли [10-11]. Преимущество методов, использующих теорию решения обратных задач распространения радиоволн в неоднородной атмосфере, заключается в том, что они позволяют проводить экспериментальные исследования непосредственно при эксплуатации существующих спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS, предназначенных для решения других задач. Этот подход является новой эрой в ионосферных исследованиях, поскольку основное свойство этих систем - возможность проводить измерения непрерывно во времени в любой точке Земли - непосредственно переносится на ионосферный мониторинг и позволяет обеспечить исследование глобальных и региональных явлений в ионосфере.

Выполненные в рамках данной работы исследования соответствуют специальности 01.04.03 «Радиофизика», раздел 5 «Разработка научных основ и принципов активной и пассивной дистанционной диагностики окружающей среды, основанных на современных методах решения обратных задач. Создание систем дистанционного мониторинга гео-, гидросферы, ионосферы, магнитосферы и атмосферы. Радиоастрономические исследования ближнего и дальнего космического пространства».

Основные сведения об ионосфере получают в настоящее время от установок, расположенных на Земле. Однако они в состоянии дать информацию лишь о параметрах ионосферы ниже максимума слоя F2. Что касается верхней ионосферы, то соответствующая информация о высотном распределении электронной концентрации ранее могла быть получена только с помощью ионозондов космического базирования, вертикальных запусков ракет и немногочисленных установок некогерентного рассеяния радиоволн, позволяющих определять параметры ионосферной плазмы в широком диапазоне высот 70 -1500 км. Однако эти средства достаточно дороги. В связи с этим особую остроту приобретает технология определения параметров ионосферы на основе анализа свойств сигналов, излученных искусственными спутниками Земли.

Существующие методы определения параметров ионосферы по данным спутниковых измерений дают возможность контролировать в основном интегральное содержание электронного распределения ионосферы Земли. Метод определения параметров земной ионосферы, основанный на использовании классической схемы радиопросвечивания спутник-спутник, позволяет определять высотное распределение электронной концентрации ионосферы Земли, но требует наличия одновременно двух спутников. Обеспечивая глобальность наблюдения за состоянием нижней части ионосферы Земли, данный метод не обладает высоким пространственным разрешением вдоль траектории полета.

Практическое использование радиотомографических методов, позволяющих восстанавливать двумерную зависимость высотного распределения электронной концентрации по измерениям в специально расположенных пунктах, является весьма сложной технической и вычислительной задачей.

Предложенный в диссертационной работе метод радиопросвечивания на трассе спутник-наземный пункт позволяет получать высотный профиль распределения электронной концентрации ионосферы Земли в подорбитальном пространстве космического аппарата для различных гелио- и геофизических условий в любое время суток и для любых регионов земной поверхности, включая горы и морские акватории, северный и южный полюса.

Целью настоящей диссертационной работы является развитие теории и разработка технологии непрерывного мониторинга, предназначенных для исследования ионосферы и решения задач оперативного контроля высотного распределения и полной электронной концентрации ионосферы Земли методом радиопросвечивания на трассе спутник - Земля с использованием радиосигналов навигационных спутниковых систем в реальном масштабе времени.

Реализация поставленной цели достигается на основе решения следующих задач:

> обоснование необходимости применения навигационных спутниковых систем для обеспечения глобального и непрерывного мониторинга высотного распределения электронной концентрации ионосферы методом радиопросвечивания на трасе спутник-Земля в реальном масштабе времени;

> разработка алгоритмов и программных средств, предназначенных для решения обратной задачи радиопросвечивания на трассе спутник-Земля с целью определения высотного распределения электронной концентрации ионосферы Земли;

> исследование влияния дополнительной априорной информации и погрешностей измерений дальности и приведенной разности фаз на определение высотного профиля электронной концентрации;

> разработка алгоритмов реконструкции пространственно-временных распределений электронной концентрации ионосферы Земли по результатам спутникового мониторинга в однопозиционной схеме наблюдений;

> создание автоматизированной технологии обработки навигационных данных для практической реализации метода радиопросвечивания на трассе спутник-Земля на основе использования двухчастотной наземной аппаратуры и метода решения обратной задачи;

> апробация разработанной технологии мониторинга состояния ионосферы в период воздействия на неё факторов естественного и антропогенного происхождения по данным навигационных спутниковых систем;

> оценка пространственно - временного разрешения метода радиопросвечивания на трассе спутник-Земля при определении параметров ионосферы применительно к задаче детектирования сейсмоионосферных вариаций;

> разработка рекомендаций и подготовка исходных данных навигационных измерений для практической реализации технологии непрерывного мониторинга ионосферы методом радиопросвечивания на трассе спутник-Земля.

Актуальность исследований, проведенных в диссертационной работе, обусловлена необходимостью решения комплекса проблем по разработке эффективных методов мониторинга ионосферы Земли на основе существующих навигационных спутниковых систем. Это направление связано с созданием новых математических методов обработки навигационных сигналов, позволяющих определять параметры ионосферы, важные для практических применений. Использование метода сопряженных градиентов для решения обратной задачи радиопросвечивания ионосферы Земли позволяет создать эффективную технологию радиофизического мониторинга ионосферы в глобальном масштабе, предназначенную как для решения научно-практических задач, так и прогноза антропогенных явлений, в частности, землетрясений.

Решение этих задач имеет важное значение при реализации Федеральных целевых программ «Глобальная навигационная система», «Развитие и модернизация системы сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений», "Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2010 года", программы Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды "Гидрометеорологическое обеспечение безопасности жизнедеятельности и рационального природопользования" (подраздел: "Методы, модели и технологии анализа и прогноза состояния верхней атмосферы, ионосферы и магнитосферы Земли, околоземного космического пространства"). Все эти программы направлены на совершенствование методов и технологий аэрокосмического мониторинга природной среды и чрезвычайных ситуаций.

Методы исследований. Выполненные исследования основаны на использовании функциональных связей параметров зондирующих сигналов и среды их распространения и математического аппарата решения интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода. Решение таких уравнений относительно неизвестной функции сводится к решению обратных некорректно поставленных задач атмосферной рефракции.

Научная новизна работы заключается в теоретическом, методическом и экспериментальном обосновании и решении проблемы создания технологии непрерывного мониторинга для исследования и прогнозирования состояния ионосферы Земли на основе использования глобальных спутниковых навигационных систем и программно-алгоритмической реализации метода решения обратной задачи радиопросвечивания. Она отражена в следующих результатах.

> Обоснована практическая целесообразность и необходимость применения спутниковых систем для решения задачи глобального и непрерывного мониторинга высотного распределения электронной концентрации ионосферы методом радиопросвечивания на трассе спутник-Земля в квазиреальном времени.

> Обоснована возможность использования градиентных алгоритмов для решения обратной задачи радиопросвечивания с целью определения высотного профиля распределения электронной концентрации ионосферы Земли. Показана эффективность алгоритма решения обратной задачи методом сопряженных градиентов на множествах специальной структуры по данным навигационных систем.

> Разработаны и апробированы на реальных данных измерений алгоритмы и программные средства, предназначенные для определения высотного распределения электронной концентрации ионосферы Земли.

> Для практической реализации метода радиопросвечивания путем численного моделирования исследовано влияние априорной информации и погрешностей измерений дальности и приведенной разности фаз на определение высотного профиля электронной концентрации и сделаны теоретические оценки точности спутниковых радионавигационных измерений.

> Создана автоматизированная технология обработки навигационных данных для практической реализации метода радиопросвечивания на трассе спутник-Земля на основе использования двухчастотной наземной аппаратуры и метода решения обратной задачи. Доказана эффективность применения этого метода при детектировании ионосферных возмущений во время гелиофизических процессов на Солнце и антропогенных эффектов на Земле.

> Получены оценки пространственно-временного разрешения метода радиопросвечивания на трассе спутник-Земля при определении параметров ионосферы применительно к задаче детектирования сейсмоионосферных вариаций в зависимости от состояния геомагнитной активности.

> Разработаны рекомендации по использованию навигационных систем при практической реализации технологии непрерывного мониторинга ионосферы методом радиопросвечивания на трассе спутник-Земля.

Практическая значимость работы заключается в том, что теоретически обоснованы и реализованы на практике элементы технологии непрерывного мониторинга ионосферы Земли, основанные на использовании полученных с помощью навигационных спутниковых систем материалов и применении метода решения обратной задачи радиопросвечивания на трассе спутник-Земля. Развитая технология определения профиля электронной концентрации не требует применения специально оборудованных пунктов и может быть реализована в полевых условиях, на борту самолетов и морских судов, что весьма важно для получения информации об ионосфере в квазиреальном масштабе времени и планетарном масштабе.

> Предложена методика детектирования сейсмоионосферных вариаций по данным навигационных спутниковых систем. Апробация методики проведена на реальных сейсмических явлениях, имевших место в различных регионах Земли.

> Реализовано применение метода радиопросвечивания ионосферы Земли в период гелиогеофизических и сейсмических явлений и показана его высокая эффективность для получения репрезентативных данных о характеристиках такого рода событий.

> Разработаны рекомендации по созданию автоматизированного центра обработки, предназначенного для непрерывного мониторинга ионосферы с использованием сигналов навигационных систем в масштабе реального времени.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод радиопросвечивания на трассе спутник-Земля, базирующийся на использовании глобальных навигационных спутниковых систем Глонасс и GPS, является новым высокоэффективным средством для исследования и непрерывного мониторинга пространственно-временного распределения электронной концентрации ионосферы Земли в реальном масштабе времени.

2. Метод проекции сопряженных градиентов на множествах специальной структуры является эффективным средством решения обратной задачи радиопросвечивания ионосферы Земли на трассе спутник - наземный пункт.

3. Построение современной технологии непрерывного мониторинга для решения задач определения состояния, оперативного и краткосрочного прогноза пространственно-временных параметров ионосферы основано на методе радиопросвечивания на трассе спутник-Земля радиосигналами спутниковых навигационных систем.

4. Технология непрерывного мониторинга, основанная на методе радиопросвечивания на трассе спутник-Земля, является новым и высокоэффективным средством контроля пространственно-временных параметров ионосферы Земли в планетарном масштабе.

5. Метод радиопросвечивания ионосферы является эффективным средством контроля состояния ионосферы Земли в период возникновения гелиофизических и сейсмических явлений и может использоваться при их наблюдении и прогнозировании.

Апробация результатов работы. Материалы диссертационной работы обсуждались на Всероссийской научной конференции «Возможности создания и применения геодезических и картографических космических средств для решения фундаментальных и прикладных задач» (1993 г., Москва); на Всероссийских научных конференциях по распространению радиоволн (1984, 1987, 1993, 1996, 1999, 2002, 2005 г.г., Россия); на научно-технической конференции «Современное состояние проблем навигации и океанографии» (1995 г., С-Петербург); на международной конференции «Радар-96» (1996 г., КНР), на Генеральных ассамблеях Европейского геофизического союза (1998 г., Австрия; 1999 г., Голландия; 2000 г., Франция; 2006, 2007 г., Австрия); на международном симпозиуме по GPS «Применение GPS в науках о Земле и её взаимодействие с другими геодезическими системами» (1999 г., Япония); на международной ассамблее комитета по космическим исследованиям «COSPAR-2000» (2000 г., Польша); на Всероссийских конференциях «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (2004, 2005 г., Москва); на международном симпозиуме по дистанционному зондированию окружающей среды ISRSE - 2005 (2005 г., С-Петербург).

По теме диссертации опубликована 51 работа - 23 статьи (включая 17 статей в журналах, рекомендованных ВАК), 25 докладов на российских и международных конференциях.

Результаты, представленные в диссертации, являются частью радиофизических исследований, проводившихся в Институте радиотехники и электроники РАН в период с 1984 по 2007 г.г. с целью изучения влияния условий распространения радиоволн на работу космических радионавигационных и геодезических систем как при непосредственном участии автора, так и его руководством.

Проводимые исследования были поддержаны грантами РФФИ (№01-05-64040, №04-05-64207, №04-05-08045_офи-а), в которых автор являлся руководителем и основным исполнителем, и Программой отделения физических наук РАН «Плазменные процессы в Солнечной системе».

Достоверность научных выводов подтверждается согласованностью теоретических и практических результатов с известными в литературе данными, согласованностью результатов математического моделирования и экспериментальных исследований с результатами теоретического анализа, сопоставлением полученных результатов с данными наземных ионозондов.

Личный вклад автора заключается в выборе направления исследований, в формулировке и постановке основных задач, в проведении теоретического анализа и имитационного моделирования, в проведении экспериментальных исследований и интерпретации полученных результатов, а также в разработке алгоритмически-программного обеспечения для решения обратной задачи радиопросвечивания ионосферы Земли сигналами спутниковых систем.

Все вошедшие в диссертационную работу результаты получены лично автором либо при его непосредственном участии. Интерпретация научных результатов осуществлялась вместе с соавторами публикаций, которым автор благодарен за плодотворную совместную работу.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и списка используемой литературы. Она содержит 300 страниц текста, включая 81 рисунок, 6 таблиц, 221 наименование цитируемой литературы, в том числе 51 наименование работ по теме диссертации.

Глава 1 носит общий характер, глава 2 является оригинальной, главы 3-6 отображают практическую значимость метода радиопросвечивания при создании технологии непрерывного мониторинга ионосферы и результаты её апробации в реальных условиях.

Содержание работы

Во введении изложено состояние научной проблемы, обоснована актуальность проводимых исследований, сформулированы цель и решаемые в диссертационной работе задачи, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, отражен личный вклад автора и приведены сведения об апробации полученных в диссертационной работе результатов.

В первой главе рассмотрены и проанализированы основные радиофизические методы исследований и мониторинга ионосферы Земли.

Анализ используемых методов изучения динамики ионосферы, выполненный в разделе 1, показывает, что существующие радиофизические методы не могут служить системой глобального наблюдения за состоянием ионосферы ввиду того, что длительные непрерывные наблюдения трудно осуществимы, а иногда и просто невозможны. Локальность выполнения наблюдений за состоянием ионосферы не позволяет применить рассматриваемые методы для создания системы непрерывного и глобального мониторинга ионосферы. Для Земли это особенно актуально, так как большую часть земного шара занимают акватории, где невозможно размещение постоянно действующих ионосферных станций, и горные массивы, не имеющие пригодной для размещения аппаратуры соответствующей инфраструктуры.

В разделе 2 рассмотрены методические вопросы проведения радиотехнических измерений при использовании спутников, как источников излучаемых сигналов. Приведены функциональные связи параметров зондирующих сигналов и среды их распространения. Показано, что для случая локальной сферически-слоистой модели среды рефракционный вклад атмосферы в измерения дальности можно определить по следующей формуле:

,

где - геометрическая дальность, - коэффициент преломления, - зенитный угол наблюдения спутника, - радиус Земли.

В третьем разделе этой главы рассмотрены основные геометрические аспекты метода радиопросвечивания и его практической реализации. Проанализирована возможность использования данного метода для определения высотного распределения параметров ионосферы в планетарном масштабе. Схема реализации метода радиопросвечивания для одного из наблюдаемых с наземного пункта А спутников представлена на рис. 1.

Численные оценки зон наблюдений приведены в таблице 1. При измерениях в пределах диапазона углов , минимальный размер которого определяется алгоритмом решения обратной задачи, длину дуги BC можно рассматривать как горизонтальный масштаб осреднения в пределах ионосферы при восстановлении высотного профиля электронной концентрации, а сам профиль относить к середине проекции дуги BC на земную поверхность.

Таблица 1. Геометрические масштабы при радиопросвечивании ионосферы на трассе навигационный спутник-Земля (интервал наблюдения T=600/30 секунд)

, град	10	30	50	70	90
, град	5,8/0,29	6,3/0,31	6,8/0,34	7,1/0,35	7,2/0,36
, км	282/16,8	96/5,4	53/2,9	40/2,1	38/1,9
B'C', км	268/16,1	92/5,2	51/2,7	39/2,0	36/1,8
AC', км	1096	467	237	104	0

В четвертом разделе на основе аналитического описания параметров радиосигналов, принимаемых от спутника, выполнен анализ возможности использования метода радиопросвечивания для определения параметров ионосферы.

Показано, что при проведении измерений на двух частотах в предположении локальной сферически-слоистой среды разность псевдодальностей связана с функцией высотного распределения электронной концентрации следующим образом:

где и - нижняя и верхняя границы ионосферы, - текущая высота.

Существующие методы решений такого типа интегрального уравнения относительно неизвестной функции рассмотрены в пятом разделе этой главы. Анализ приведенных методов восстановления показывает, что при решении задачи реконструкции высотного распределения электронной концентрации требуется дополнительная априорная информация о состоянии ионосферы. На основе результатов анализа к алгоритмам восстановления сформулированы необходимые для реализации метода радиопросвечивания требования:

1. Алгоритм восстановления должен хорошо восстанавливать параметры ионосферы, независимо от конкретной ситуации при проведении измерений.

2. Алгоритм должен обладать устойчивостью к погрешностям измерений. Устойчивость задачи должна обязательно достигаться использованием общего математического подхода, допускающего автоматическую обработку данных измерений на всей трассе полета космического аппарата.

3. Для получения качественного решения алгоритм должен давать возможность управления процессом восстановления с целью учета специфической структуры ионосферы и обеспечивать неотрицательность решения.

4. В зависимости от имеющихся априорных сведений о структуре ионосферы и состоянии окружающей среды алгоритм должен иметь наращиваемую структуру для введения дополнительных ограничений, не меняя вычислительную схему решения данной задачи.

Во второй главе изложен метод решения обратной задачи радиопросвечивания ионосферы по трассе навигационный спутник-Земля. В разделе 1 изложена методология математического моделирования процесса распространения радиоволн при решении обратной задачи радиопросвечивания. Рассмотрены основные математические аспекты моделирования процесса распространения радиоволн при решении прямой и обратной задач радиопросвечивания.

Показано, что математическая постановка задачи в общем случае, во-первых, подразумевает конструирование структуры модели процесса, т.е. качественное описание исследуемого процесса с помощью тех или иных математических операторов, а во-вторых, заключается в наделении модели количественной информацией, т.е. оценивании входящих в структурную модель неизвестных параметров. Процесс параметрической идентификации при решении обратной задачи радиопросвечивания ионосферы Земли можно представить в виде структурной схемы, приведенной на рис. 2.

Показано, что существенным моментом при решении обратной задачи радиопросвечивания является использование априорной информации о среде распространения и влияние погрешности измерений. При неточно заданных исходных данных измерений задача параметрической идентификации сводится к определению по совокупности некоторого приближения к искомому решению, которое при стремлении погрешностей () в задании оператора и правой части к нулю обеспечивало бы лучшее приближение к точному решению задачи.

Применение метода сопряженных градиентов на специальных множествах для решения обратной задачи радиопросвечивания обосновано в разделе 2. Проведенный функциональный анализ интегрального уравнения показал, что решение обратной задачи радиопросвечивания сводится к задаче нахождения конечномерного вектора, минимизирующего функционал, определяемый следующим выражением:

.

Используя элементы теории функционального анализа, показано, что для выпуклого множества, к которому принадлежит данный функционал, нет необходимости определять точный минимум . Достаточно определить такой элемент последовательности из указанного множества, при котором . Отсюда следует, что для нахождения приближенного решения необходимо построить последовательность , минимизирующую функционал на выпуклом множестве, который при конечно-разностной аппроксимации переходит в множество, определяемое в теории функционального анализа следующими ограничениями [12]:

,

,

.

При переходе к конечномерной аппроксимации функционал преобразуется в квадратичную функцию , которую можно представить в обобщенном виде: . В этом случае задача сводится к построению минимизирующей последовательности для квадратичной функции на множестве, определяемом приведенными ограничениями.

Алгоритм решения обратной задачи радиопросвечивания методом сопряженных градиентов изложен в разделе 3. Этот метод устойчиво работает при решении задач с ограничениями и наличием локальных максимумов. Поэтому для решения обратной задачи радиопросвечивания ионосферы он является наиболее предпочтительным среди других градиентных методов. Суть этого метода заключается в следующем.

Элементы минимизирующей последовательности определяются по следующей схеме. Каждый последующий элемент последовательности связан с предыдущим соотношением , где - направление градиента функции, , , - величина оптимального шага вдоль направления градиента, - нулевое приближение решения задачи, - скалярное произведение.

В разделе 4 методом численного моделирования исследовано влияние априорной информации на точность решения обратной задачи радиопросвечивания ионосферы и определена область применимости спутниковых навигационных измерений. Результаты моделирования в зависимости от класса функций, в котором ищется решение обратной задачи, представлены на рис. 3.

В пятом разделе получены оценки точностных характеристик метода радиопросвечивания при определении параметров ионосферы в диапазоне высот от 80 до 1000 км и показано, что при практической реализации алгоритма оптимальная размерность сетки по высоте, для которой определяется профиль электронной концентрации, составляет ~22 км.

Это означает, что при обращении используются 20-ти или 10-ти минутные интервалы наблюдений (дискретность измерений сек и сек соответственно). Повышение разрешения по высоте можно получить, увеличив либо интервал времени наблюдения, либо уменьшив дискретность измерений при сохранении интервала времени наблюдения. Результаты практической реализации алгоритма решения обратной задачи радиопросвечивания и сравнение их с данными вертикального ионозонда и моделью IRI представлены на рис. 4.

Значения электронной концентрации в максимуме ионосферы практически совпадают с данными ионозонда. Расхождение составляет не более 4%. Аналогичные результаты были получены при сравнении восстановленных данных с результатами ионосферного зондирования до высоты максимума, проведенного наземным ионозондом ИЗМИРАНа. Эти сравнения дают основание считать, что предложенный метод может рассматриваться как новый, независимый от ионосферных служб, способ определения высотного профиля электронной концентрации ионосферы Земли.

Влияние погрешности радионавигационных измерений при решении обратной задачи рассмотрено в шестом разделе. Показано, что применение метода радиопросвечивания ионосферы целесообразно при точности проведения измерений не хуже 0,2 м. При этом достигается высокая точность определения высотного распределения электронной концентрации. Среднеквадратическая погрешность определения профиля электронной концентрации ионосферы не превышает при этом 0,02 NU (1 NU=10⁶ эл/см³), значения максимума электронной концентрации - 0,014 NU при исходном моделируемом значении концентрации в максимуме слоя F2, равном 0,82 NU. Результаты моделирования представлены на рис. 5.

В разделе 7 рассмотрена возможность определения высотного распределения электронной концентрации ионосферы по данным двухчастотных фазовых измерений на длинах волн . Получены функциональные соотношения при проведении этих измерений. Показано, что в этом случае уравнение радиопросвечивания можно записать в следующем виде:

.

Результаты моделирования показали, что наличие в подынтегральном выражении степени 3/2 приводит к уменьшению влияния погрешности фазовых измерений на точность полученного решения. В этом смысле применение фазовых измерений при решении обратной задачи является более предпочтительным, однако требует при этом непрерывности фазовых измерений и практически непригодно для определения параметров ионосферы в районе траверза из-за наличия в приведенном уравнении производной по углу наблюдения.

В третьей главе рассмотрены возможности мониторинга ионосферы Земли на основе глобальных навигационных спутниковых систем.

В разделе 1 проведен анализ характеристик навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS и рассмотрены их функциональные возможности для мониторинга ионосферы.

Метод определения электронного распределения ионосферы по данным дальномерных и фазовых измерений рассмотрен в разделе 2. Показано, что при двухчастотных измерениях с учетом аппаратурных ошибок вклад ионосферы может быть определен из линейной комбинации

дальномерных измерений -

и фазовых измерений -

где и - ошибки кодовых и фазовых измерений соответственно, для системы GPS и для системы ГЛОНАСС, ФN - неоднозначность фазовых измерений.

Показано, что значения интегральной электронной концентрации ТЕС можно определить непосредственно из дальномерных и фазовых измерений по следующим формулам соответственно:

,

.

В разделе 3 приведены результаты практического применения метода радиопросвечивания для определения регулярных вариаций электронной концентрации ионосферы по данным дальномерных измерений. Показана принципиальная возможность определения азимутально-временных вариаций состояния ионосферы по однопозиционным наблюдениям.

По результатам экспериментальной обработки данных двух разнесенных приемных пунктов показано, что глобальность навигационных систем дает возможность использовать одновременно один и тот же спутник для мониторинга ионосферы в разных точках земной поверхности. На рис. 6 представлены результаты обработки суточных данных измерений, полученных по наблюдениям спутников системы GPS со станции ZWEN (Звенигород). Эти данные позволяют анализировать суточные вариации практически любой части ионосферы.

Возможность скомпоновать измерения с разных спутников в узком диапазоне азимутальных углов наблюдений позволяет проследить широтные и долготные временные вариации максимума ионосферы.

Результаты практического определения азимутально-временных вариаций ионосферы в однопозиционной схеме наблюдения рассмотрены в разделе 4. Вариации максимума электронной концентрации ионосферы, проанализированные для секторов азимутальных наблюдений (юг) и (северо-запад) - широтная зависимость и (восток) и (запад) - долготная зависимость, показали, что в целом для всех обработанных сеансов наблюдений тенденция изменения соответствует многолетним данным наблюдений.

Возможность определять высотный профиль распределения электронной концентрации ионосферы позволяет зафиксировать и пространственные провалы, наблюдаемые в ионосфере. На рис. 7 приведены зависимости максимума распределения электронной концентрации ионосферы, полученные с двух спутников, наблюдаемых в разное время и на разных азимутах.

На обеих зависимостях имеется явно выраженный провал в значениях максимума распределения электронной концентрации. Учитывая независимость спутниковых измерений, можно предположить по этим данным наличие локального провала в ионосфере. Сдвиг по времени (примерно 6 часов) и практически полное совпадение физических параметров и координатных характеристик позволяют утверждать, что это один и тот же провал. Происхождение данного провала носит не временной, а пространственный характер.

Глава четыре посвящена изучению возможности реконструкции пространственно-временной структуры ионосферы. Дана оценка возможности реконструкции двух-трехмерной структуры регулярных параметров ионосферы, приведены результаты реализации такого определения. Проведена аналогия с методом компьютерной томографии.

Приведенные в главе 3 интегральные уравнения первого рода, определяющие функциональную зависимость измеряемых параметров сигнала от высотного распределения электронной концентрации, которое в свою очередь является функцией пространственных координат и времени, можно считать математической моделью физических процессов, происходящих при радиопросвечивании ионосферы Земли. Их же можно рассматривать как уравнения компьютерной томографии, осуществляемой с достаточно большого числа ракурсов. Одним из вариантов аппаратурной реализации такой «томографии» является метод радиопросвечивания, осуществляемый с одного пункта наблюдения.

В разделе 2 показано, что в этом случае метод радиопросвечивания позволяет определять одномерные разрезы ионосферы вдоль трассы, аналогичной по форме траектории движения подспутниковой точки. Получаемые при этом профили относятся к вертикальному разрезу ионосферы, географические координаты которого определяются положением проекции подионосферной точки. Наличие высотных профилей, полученных для разных географических точек, позволяет синтезировать пространственные сечения ионосферы, используя только один пункт наблюдения. На рис. 8 показаны профили электронной концентрации, полученные при наблюдении 15 спутников с одного наземного пункта с разных азимутальных направлений, и изменение максимума ионосферы вдоль траектории подионосферной точки для одного из используемых спутников.

Полученные в результате применения метода радиопросвечивания высотные профили распределения могут служить основой построения пространственно-временной структуры ионосферы Земли.

В разделе 3 проведен анализ возможности реконструкции пространственно-временной структуры ионосферы по двум близко расположенным пунктам и приведены результаты экспериментальной обработки. Показано, что такие измерения можно использовать для определения неоднородностей в ионосфере. Результаты определения методом радиопросвечивания параметров максимума F2-слоя - максимума электронной концентрации и вариаций его высоты - приведены на рис. 9.

Представленные данные также показывают, насколько реальная ионосфера Земли соответствует её модельным представлениям.

Применение метода радиопросвечивания, основанного на использовании нескольких близко расположенных пунктов наблюдения, один из которых может быть контрольным, а другие расположены вокруг него, позволяет реконструировать полную картину азимутальных перемещений масс ионизированного газа. Сопоставляя полученные значения максимума ионосферы на пунктах наблюдения и, фиксируя время, которое протекает между моментами регистрации некоторых характерных особенностей в распределении слоя F2, можно судить о скорости перемещения ионосферных неоднородностей в горизонтальном направлении.

В главе пять на основе реальных данных измерений доказана принципиальная возможность исследования ионосферной изменчивости методом радиопросвечивания в период гелиофизических возмущений. Показана реальная возможность мониторинга ионосферы в глобальном масштабе при возникновении указанных явлений.

В разделе 1 приведены результаты применения метода радиопросвечивания для исследования ионосферных эффектов в зоне частичного солнечного затмения 11 августа 1999 года зондированием ионосферы сигналами навигационных систем. Преимущество радиотехнических наблюдений заключается в том, что погодно-климатические условия не являются преградой при исследовании эффектов воздействия солнечного затмения на состояние ионосферы Земли. Высотные профили электронной концентрации, полученные в период солнечного затмения на фоне сплошной облачности, приведены на рис. 10. Хорошо видно уменьшение электронной концентрации во время затмения (~11-12 часов).

В разделе 2 рассмотрены возможности навигационной спутниковой системы GPS для детектирования воздействия солнечных вспышек на ионосферу Земли и обусловленных ими геомагнитных возмущений в октябре-ноябре 2003 года. В момент возникновения вспышек, станции наблюдения располагались как в области максимальной освещенности, так и в теневой области Земли. Некоторые спутники наблюдались одновременно из всех пунктов. Поэтому любые изменения параметров навигационных сигналов могут быть обусловлены только средой их распространения, в частности, ионосферой.

Результаты обработки данных по радиопросвечиванию ионосферы за период 28-30 октября по наблюдениям за одним и тем же спутником с пунктов TROM (Норвегия) и ANKR (Турция) приведены на рис. 11. Хорошо видно, что 28 и 30 октября фоновый уровень состояния ионосферы был достаточно ровный. 29 октября, когда солнечный ветер достиг ионосферы Земли, характер скорости изменения полного электронного содержания резко изменился.

Можно выделить три временных участка, где зарегистрированы заметные возмущения ионосферы. Это 6:40 (400), 7:30 (450) и 8:40 (520) UT. Длительность возмущений составляла 15-20 минут для первого, 30-40 - для второго и примерно 60 минут для третьего. Такие возмущения наблюдались для полярной ионосферы. Совершенно иная картина наблюдалась в среднеширотной ионосфере по данным метода радиопросвечивания с пункта ANKR.

В отличие от полярной ионосферы, изменения электронного содержания здесь выражены более сильно. Видно, что в период 6:30-8:00 UT скорость изменения полного электронного содержания имеет волнообразный характер с периодом примерно 60 минут. Длительность этого волнообразного изменения не превышает 1,5 часа. На этом же рисунке можно отметить также наличие резкого возмущения примерно в 10:30 UT. Для всех спутников, находящихся в зоне видимости станции ANKR в период 6-8 часов, наблюдались значительные вариации полного электронного содержания. Эти данные приведены на рис. 12 и дают реальную картину возникновения возмущений в ионосфере в зоне видимости пункта наблюдения.

Анализ состояния ионосферы Земли в момент возникновения солнечной вспышки, произошедшей 28 октября, показал резкое увеличение скорости изменения полного электронного содержания (рис. 13). Такое изменение наблюдалось для всех спутников и было зарегистрировано за 9,5 минут до вспышки, зафиксированной в оптическом диапазоне в 11:11:52 UT. Для ионосферы Южного полушария (OHI2) характер воздействия на ионосферу солнечной вспышки несколько отличается от ионосферы Северного полушария. Амплитуда второго пика здесь практически в два раза меньше первого, в то время как для ионосферы Северного полушария, амплитуды обоих пиков отличаются незначительно.

Скачкообразное изменение в значениях полного электронного содержания произошло в 11:02:30 (662,5 минуты) UT (рис. 14а) и было зафиксировано по всем 7 спутникам, которые находились в зоне видимости станции наблюдения. При этом характер дальнейшего изменения этого параметра ионосферы остался прежним. Изменения значений максимума электронной концентрации, полученных при решении обратной задачи радиопросвечивания по трассе спутник - наземный пункт, представлены на рис. 14б. Рост значения электронной концентрации в максимуме слоя F2 ионосферы составил ~23%, что хорошо согласуется с данными (10-30%), имеющимися в литературе.

Аналогичная картина наблюдалась и для второй мощной солнечной вспышки, произошедшей 4 ноября 2003 года. Здесь также максимальное изменение зарегистрировано за 9,5 минут до вспышки, зафиксированной в оптическом диапазоне в 19:53 (1193 минута) UT. Сравнение длительности ионосферных откликов, зарегистрированных 28 октября и 4 ноября 2003 года, показывает, что для более мощной ноябрьской вспышки длительность отклика практически в два раза больше.

В разделе 4 показана возможность метода радиопросвечивания осуществлять мониторинг околоземного пространства для определения источников техногенного происхождения по их импульсному воздействию на ионосферную плазму. В качестве импульсных воздействий на окружающую среду рассмотрены взрыв Витимского метеорита и запуск ракет с космодрома Байконур.

Результаты обработки данных навигационных наблюдений во время взрыва метеорита представлены на рис. 15. По результатам проведенного расчета длительность распространения возникающих при этом ионосферных возмущений не превышала 20-25 минут. Скорости распространения возмущений для трех указанных моментов времени примерно равны 1285 м/с (область 1), 337 м/с (область 2) и 125 м/с (область 3) и соответствуют значениям, полученным с помощью радиолокатора Полярного геофизического института (1200 м/с, 300 м/с и 200 м/с).

Существенно иной характер имеют ионосферные возмущения, зарегистрированные при запусках ракет. На рис. 16 представлены результаты обработки навигационных данных, полученных при запуске ракеты с космодрома Байконур. Скорость распространения возникающих в ионосфере возмущений составляет 800-1000 м/с, что хорошо согласуется с известными данными [8].

В главе шесть на основе прошедших сейсмических событий показано, что ионосфера может быть индикатором готовящихся как сильных, так и слабых землетрясений. Многодневный мониторинг состояния максимума F2 слоя ионосферы, осуществляемый с нескольких разнесенных двухчастотных навигационных приемников, показал возможность определения методом радиопросвечивания возмущенных областей в период сильных землетрясений.

В разделе 1 проведен краткий анализ сейсмичности земной поверхности и рассмотрена возможность прогноза катастрофических событий. Отмечается, что трудности в идентификации ионосферных возмущений, обусловленных сейсмогенными эффектами на фоне пространственно-временной изменчивости ионосферы, являются основным объектом критики при использовании ионосферы, как детектора предвестников землетрясений. Однако интенсивные исследования сейсмоионосферных связей в течение последних нескольких лет показывают, что сейсмоиносферные явления уникальны среди набора других причин изменчивости ионосферы.

На основании систематизации литературных данных в разделе 2 показано, что учет всех параметров ионосферного предвестника позволяет выделить его на фоне вариаций ионосферы, вызванных другими воздействиями, что выгодно отличает его от плазменных и электромагнитных вариаций другого типа, предлагаемых в качестве предвестников, поскольку они могут наблюдаться и в результате воздействия других факторов.

В разделе 3 этой главы рассмотрены ионосферные возмущения, возникающие при сильных землетрясениях, произошедших в разных районах Земли.

Сильное землетрясение (магнитуда М=6,5) произошло 22 декабря 2003 года в Центральной Калифорнии. Координаты эпицентра землетрясения 35,706^о с.ш. и 121,102^о з.д. Траектории трасс подионосферных точек для спутников с указанием эпицентра землетрясения приведена на рис. 17.

Высотные распределения электронной концентрации, полученные с 18 по 23 декабря 2003 года, представлены на рис. 18. Анализ распределения электронной плотности, полученной в то же время по данным других спутников, траектории которых проходили вдали от эпицентра землетрясения, показал, что изменения в распределении электронной концентрации ионосферы для данных областей менее выражены. Анализ временных вариаций максимума электронной концентрации слоя F2 ионосферы, полученных в течение двух часов в нескольких фиксированных точках, показал, что значения электронной концентрации в точке с координатами 121,5^о з.д. и 36,6^о с.ш. резко контрастируют с аналогичными данными, полученными для других точек. Это означает, что область с указанными координатами была расположена вблизи эпицентральной зоны.

Потенциальные возможности GPS-мониторинга ионосферы при детектировании сейсмических предвестников рассмотрены на примере землетрясения Hector Mine 16 октября 1999 года в Калифорнии. Выбор этого события был обусловлен тем, что во время этого достаточно мощного землетрясения (магнитуда M=7,1) геомагнитная обстановка была умеренно возмущенной.

Кроме этого, выбранное землетрясение произошло на территории, характеризуемой повышенной сейсмичностью. Высокая сейсмичность территории вносит дополнительные трудности, возникающие при интерпретации ионосферных возмущений. Поэтому для того, чтобы разделить ионосферные эффекты, обусловленные воздействием гелиофизических факторов от сейсмических, для мониторинга ионосферы использовались приемники, расположенные как вблизи эпицентра сейсмического события, так и вдали от него. Высотные профили и их двумерное представление, на котором хорошо видно изменение в распределении максимума электронной концентрации над эпицентральной зоной, приведены на рис. 19.

Анализ гелиогеофизической обстановки показал, что наличие в это время возмущенной геомагнитной обстановки, не могло привести к столь значительным изменениям в распределении электронной концентрации ионосферы в данном регионе. Изменения в пространственно-временном распределении электронной концентрации, наблюдаемые на близких к эпицентру станциях, вызваны эффектами сейсмического происхождения.

Применение метода радиопросвечивания позволило проследить поведение максимума электронной концентрации вдоль траектории подионосферной точки для спутников в период сильнейшего землетрясения в Турции 17 августа 1999 года (магнитуда М=7,7). Высотные профили электронной концентрации ионосферы, полученные из решения обратной задачи радиопросвечивания по наблюдениям за одним из спутников в период 14-17 августа представлены на рис. 20. Для сравнения здесь же приведены высотные профили электронной концентрации, полученные для станции, расположенной вдали от эпицентра землетрясения.

Из этих данных видно, что пространственно-временная модификация высотного распределения электронной концентрации наблюдалась только вблизи станции ANKR. Для станции ZECK отмечено незначительное изменение значения в максимуме ионосферы без какой-либо заметной модификации в высотном распределении. Это может свидетельствовать о том, что на стадии формирования сейсмического события над эпицентральной областью происходит нарушение пространственно-временного хода распределения электронной концентрации, что является характерным признаком готовящегося землетрясения.

Землетрясение, магнитудой М=7,6 произошло 8 октября 20005 г. в Пакистане. Графики пространственно-временного распределения электронной концентрации, на которых хорошо видна структура высотного распределения и ее характерные изменения, приведены на рис. 21.

Для станций, расположенных относительно близко к эпицентральной зоне землетрясения, 6 и 7 октября наблюдалось значительное уменьшение электронной концентрации в максимуме F2 слоя. Наиболее сильно это проявилось для пунктов SELE и URUM, что может свидетельствовать о близости этих пунктов к эпицентру землетрясения. Анализ вариаций геомагнитного поля показал, что они не могли привести к тем явлениям, которые наблюдались в распределении электронной концентрации по данным GPS-измерений.

В разделе 4 рассматривается возможность детектирования землетрясений, магнитуда которых не превышает 4. Показано, что эта задача в настоящее время трудна для реализации ввиду малости влияния тектонических эффектов землетрясений на состояние ионосферы. Применение в качестве критерия величины отклонений от среднего фонового состояния ионосферной плазмы, по-видимому, здесь нецелесообразно. Более чувствительным параметром может быть не значение электронной концентрации в максимуме слоя F2, а скорость изменения этой концентрации DTEC. При этом необходимо рассматривать и анализировать состояние ионосферы не только вблизи эпицентра землетрясений, но и в относительно спокойных районах, удаленных от эпицентра и находящихся примерно в одном и том же часовом поясе.