Delist.ru

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

Автор: Смирнов Владимир Михайлович

- радиус Земли.

в пределах ионосферы при восстановлении высотного профиля электронной концентрации, а сам профиль относить к середине проекции дуги BC на земную поверхность.

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

следующим образом:

- текущая высота.

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.

) 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:

на выпуклом множестве, который при конечно-разностной аппроксимации переходит в множество, определяемое в теории функционального анализа следующими ограничениями [12]:

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.

- 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.

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.

Рис. 4. Сравнение результатов восстановления по наблюдениям спутников GPS с данными ионозондов (Grahamstown, Южная Африка – а), ИЗМИРАН - б) и моделью IRI.

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.

. 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

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.

1 - 0 час 25 мин, 2 - 2 час 30 мин,

1 – 8 час, 2 – 10 час 40 мин,

3 – 10 час, 4 – 11 час 55 мин

Рис. 6. Высотные профили ионосферы, полученные для ближайших расстояний проекции максимума подионосферной точки от пункта измерений в зависимости от времени

Возможность скомпоновать измерения с разных спутников в узком диапазоне азимутальных углов наблюдений позволяет проследить широтные и долготные

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.

азимут наблюдения 196-78-86(

загрузка...