Delist.ru

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

Автор: Смирнов Владимир Михайлович

Рис. 20. Профили электронной концентрации, полученные по данным спутника №6 12-18 августа 1999 г. для станций ANKR а) и ZECK б).

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.

Рис. 21. Профили электронной концентрации вблизи (URUM) и вдали от эпицентра (IISC)

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.

Анализ изменения параметра DTEC в период слабого землетрясения, произошедшего 23 сентября в Южной Греции, показал, что за сутки до землетрясения, при прохождении траектории через область эпицентра, наблюдались незначительные колебания с периодом 14-19 минут этого параметра при относительно гладком его изменении для других областей.

В разделе 5 рассмотрены ионосферные явления, возникающие в сейсмически спокойных районах. 21 сентября 2004 года на территории Калининградской области были зарегистрированы два землетрясения с магнитудами М=4,8 и М=5,0. Оба землетрясения произошли практически в одном месте с интервалом в 2,5 часа. Профили электронной концентрации, полученные для эпицентральной зоны, имели характерные провалы, аналогичные ранее рассмотренным событиям. Профили, полученные с помощью приемника, удаленного от эпицентра землетрясения на расстояние свыше 1500 км, не имели каких-либо вариаций, что позволяет сделать вывод о том, что изменения в ионосфере, регистрируемые другими приемниками, обусловлены воздействием факторов локального происхождения. В данном случае эти изменения вызваны сейсмическими эффектами.

В Заключении перечислены результаты работы и сформулированы следующие из них выводы.

В Приложении представлена структура построения автоматизированного наземно-космического центра, предназначенного для непрерывного мониторинга ионосферы методом радиопросвечивания на трассе спутник-Земля с использованием сигналов навигационных систем в реальном масштабе времени.

Основные результаты работы и выводы

При проведении теоретических и экспериментальных исследований по разработке и применению метода радиопросвечивания на трассе спутник-Земля для непрерывного мониторинга ионосферы Земли получены следующие основные результаты.

1. Рассмотрено современное состояние и проанализированы особенности и возможности основных радиофизических методов исследований и мониторинга ионосферы Земли. Изложены основы научно-практической проблемы создания технологии глобального и непрерывного мониторинга земной ионосферы методом радиопросвечивания на трассе спутник-Земля. Доказана практическая значимость и актуальность проведения непрерывного мониторинга пространственно-временного состояния ионосферы в реальном времени.

2. Проведено методическое, теоретическое и экспериментальное обоснование проблемы создания технологии непрерывного мониторинга ионосферы. Показана практическая целесообразность и необходимость применения навигационных спутниковых систем для решения базирующейся на методе радиопросвечивания задачи оперативного мониторинга высотного распределения электронной концентрации ионосферы в планетарном масштабе.

3. Рассмотрены основные математические аспекты имитационного моделирования процесса распространения радиоволн при решении прямой и обратной задач радиопросвечивания ионосферы Земли на трассе спутник-Земля. Обоснована возможность использования градиентных алгоритмов для решения обратной задачи радиопросвечивания. Показана эффективность алгоритма решения обратной задачи радиопросвечивания ионосферы методом сопряженных градиентов на множествах специальной структуры, определяющихся заданным классом функций, по данным навигационных спутниковых систем.

4. Методом численного моделирования исследовано влияние априорной информации и погрешности радионавигационных измерений на решение обратной задачи радиопросвечивания. Показано, что применение разработанного метода решения обратной задачи для восстановления высотного распределения электронной концентрации в диапазоне высот от 80 до 1000 км обеспечит получение качественно новой информации об ионосфере при точности определения радиотехнических дальномерно-фазовых измерений не хуже 0,2 м. Среднеквадратическая погрешность определения высотного 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 электронной концентрации в максимуме слоя F2, равном 0,82 NU.

5. Разработаны и апробированы на реальных данных измерений алгоритмы и программные средства, предназначенные для решения обратной задачи радиопросвечивания на трассе спутник-Земля с целью определения высотного распределения электронной концентрации ионосферы Земли с разрешением по высоте не хуже 22 км и с временным шагом вдоль подионосферной трассы 30 сек. Показано, что даже при использовании одного наземного приемника метод радиопросвечивания позволяет проводить мониторинг высотного распределения электронной концентрации на площади не менее 3000 кв. км с высоким пространственно-временным разрешением.

6. По результатам экспериментальной обработки данных измерений показана принципиальная возможность определения азимутально-временных вариаций состояния ионосферы Земли по однопозиционным наземным измерениям. Исследована возможность реконструкции пространственно-временной структуры ионосферы на основе метода радиопросвечивания. Дана оценка возможности построения двух - трехмерной структуры регулярных параметров ионосферы и приведены результаты экспериментальной реализации. Показано, что применение разнесенных на малое расстояние наземных пунктов позволяет определять с высокой точностью физические характеристики ионосферных неоднородностей.

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

Показано, что форма отклика ионосферы на прямой эффект солнечной вспышки зависит от её мощности и имеет разную структуру в Северном и Южном полушариях Земли.

Детектирование ионосферных возмущений в период воздействия на неё факторов импульсного характера показало, что форма отклика ионосферы зависит от типа этого влияния.

8. На основе материалов обработки реальных данных навигационных измерений доказана принципиальная возможность исследования методом радиопросвечивания ионосферной изменчивости. Получены оценки пространственно-временного разрешения метода радиопросвечивания на трассе спутник-Земля при определении параметров ионосферы применительно к задаче детектирования сейсмоионосферных вариаций. Показано, что для локализации области ионосферного возмущения необходимо проводить мониторинг с разрешением по поверхности Земли не хуже 2о?2о (примерно 200 на 200 км).

Проведен мониторинг ионосферы в период формирования и прохождения сейсмических событий в различных регионах земного шара и разном уровне геомагнитной активности. Показано, что сейсмоионосферные вариации могут быть успешно зарегистрированы при использовании метода радиопросвечивания на трассе навигационный спутник-Земля.

9. На основе результатов обработки данных, полученных с использованием навигационных систем, доказано, что над эпицентром будущего землетрясения происходит нарушение пространственно-временного хода электронной концентрации ионосферы. Такая модификация профиля наблюдается за несколько суток (1-3) до предстоящего события.

Показано, что на основе анализа пространственно-временной структуры высотного профиля электронной концентрации возможно прогнозировать месторасположение будущего эпицентра землетрясения.

10. Предложена, на основе полученных в данной работе результатов, структура построения автоматизированного наземно-космического центра, предназначенного для непрерывного мониторинга ионосферы методом радиопросвечивания на трассе спутник-Земля с использованием сигналов навигационных систем GPS и Глонасс в реальном масштабе времени.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи в научных журналах и сборниках:

Арманд, Н.А. Радиопросвечивание земной тропосферы при измерениях сигналов ИСЗ / Н.А.Арманд, В.А.Андрианов, В.М.Смирнов, В.И. Пономарев //Препринт - 11(429). ИРЭ АН СССР, 1985. - 24 с.

Арманд, Н.А. Влияние тропосферной рефракции на радиоизмерения скорости искусственных спутников Земли /Н.А.Арманд, В.А.Андрианов, В.М.Смирнов и др. //Радиотехника и электроника. – 1986. - Т.31. - №12. - С.2305-2312.

Арманд, Н.А. Восстановление профиля коэффициента преломления тропосферы по измерениям частоты сигналов искусственного спутника Земли / Н.А. Арманд, В.А. Андрианов, В.М. Смирнов //Радиотехника и электроника. -1987.-Т.32.-№4.-С.673-680.

Арманд, Н.А. Расчет поправок на атмосферную рефракцию в спутниковых радионавигационных системах / Н.А. Арманд, В.А. Андрианов, В.М. Смирнов //Вопросы радиоэлектроники. -1987. - В.2. - С.37-43.

Андрианов, В.А. Методика коррекции влияния тропосферной рефракции при наземных траекторных измерениях ИСЗ / В.А. Андрианов, В.М. Смирнов //Препринт -14(565). ИРЭ АН СССР, 1991.-30 с.

Андрианов, В.А. О точности решения обратной задачи радиопросвечивания тропосферы Земли / В.А. Андрианов, В.М. Смирнов //Радиотехника и электроника.-1991.-Т.36.-№ 6.-С.1081-1087.

Горобец, В.П. Методы коррекции атмосферной рефракции в космической геодезии / В.П. Горобец, Е.В. Кораблев, В.А. Андрианов, В.М. Смирнов //Геодезия и картография. -1993.-№12.-С.20-24.

Андрианов, В.А. Определение высотного профиля электронной концентрации ионосферы Земли по двухчастотным измерениям радиосигналов искусственных спутников Земли / В.А. Андрианов, В.М. Смирнов //Радиотехника и электроника.-1993-Т.38.-№7.-С.1326-1335.

Андрианов, В.А. Применение радиосигналов спутниковой навигационной системы для зондирования ионосферы Земли / В.А. Андрианов, Н.А. Арманд, Е.Л. Мосин, В.М. Смирнов //Препринт-5(605). ИРЭ РАН, 1995. 24 с.

Андрианов, В.А. Результаты использования навигационной системы «Навстар» для мониторинга ионосферы Земли / В.А. Андрианов, Н.А. Арманд, Е.Л. Мосин, В.М. Смирнов //Исследование Земли из космоса.-1996.-№2.-С.10-16.

Андрианов, В.А. Зондирование ионосферы Земли с помощью спутниковых навигационных систем / В.А. Андрианов, Е.Л. Мосин, В.М. Смирнов //Электроника: Наука, технология, бизнес.-1997.-№2.-C.11-17.

Андрианов В.А. Результаты экспериментального мониторинга ионосферы Земли с использованием спутниковых навигационных систем / В.А. Андрианов, Е.Л. Мосин, В.М. Смирнов //Измерительная техника.-1997.-№10-С.10-12.

- области ионосферы Земли по измерениям параметров сигналов навигационных спутников / В.А. Андрианов, Е.Л. Мосин, В.М. Смирнов //Исследование Земли из космоса.-2000.-№1.-С.15-22.

Смирнов, В.М. Результаты применения спутникового мониторинга для расчета максимально применимых частот / В.М. Смирнов //Сборник трудов МГУЛ, 2000.-В.314.-С.104-110.

загрузка...