Delist.ru

Метод мониторинга ионосферы Земли на основе использования навигационных спутниковых систем (15.08.2007)

Автор: Смирнов Владимир Михайлович

? 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.

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.

атмосферы в измерения дальности можно определить по следующей формуле:

загрузка...