Метод мониторинга ионосферы Земли на основе использования навигационных спутниковых систем

2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение............................................................ 5
1. Научно-методические основы исследований и мониторинга ионосферы Земли методом радиопросвечивания..................... 25
1.1. Радиофизические методы исследований и мониторинга ионосферы Земли........................................... 25
1.2. Функциональные связи параметров зондирующих сигналов и
среды их распространения.................................... 39
1.3. Метод радиопросвечивания и его практическая реализация 42
1 .4. Анализ возможности использования метода радиопросвечивания
для определения параметров атмосферы........................ 50
1.5. Алгоритмическая реализация методов реконструкции ионосферы
поданным радиопросвечивания................................. 53
2. Обратная задача радиопросвечивания в проблеме мониторинга ионосферы Земли.................................................... 60
2.1. Методология математического моделирования процесса распространения радиоволн при решении обратной задачи 60
2.2. Анализ возможности решения обратной задачи радиопросвечивания градиентными методами............................. 68
2.3. Решение обратной задачи радиопросвечивания
методом регуляризирующих градиентных алгоритмов............. 75
2.4. Роль априорной информации при решении некорректно поставленных задач градиентными методами........................ 81
2.5. Оценка точностных характеристик метода радиопросвечивания
при определении параметров ионосферы........................ 86
2.6. Влияние погрешностей измерений при решении обратной задачи радиопросвечивания ионосферы.................................... 97
3
2.7. Восстановление высотного профиля электронной
концентрации ионосферы по данным фазовых измерений........... 104
3. Мониторинг ионосферы Земли на основе глобальных навигационных спутниковых систем................................ 113
3.1. Анализ возможности использования спутниковых навигационных систем для мониторинга ионосферы.................. 113
3.2. Определение полного электронного содержания ионосферы
Земли по данным навигационных измерений...................... 120
3.3. Определение регулярных вариаций электронной концентрации ионосферы по данным дальномерных измерений...................... 127
3.4. Азимутально-временные вариации ионосферы Земли в однопозиционной схеме наблюдений................................ 134
4. Реконструкция пространственно-временной структуры ионосферы на основе метода радиопросвечивания................... 144
4.1. Оценка возможности двухмерной (20) и трехмерной (30) реконструкции регулярных параметров ионосферы на основе метода радиопросвечивания................................. 144
4.2. Высотные профили распределения электронной концентрации
как основа пространственной реконструкции ионосферы.......... 148
4.3. Анализ возможности реконструкции пространственно-временной
4Э структуры ионосферы....................................... 157
5. Мониторинг ионосферной изменчивости методом радиопросвечивания в период гелиофизических возмущении и импульсных воздействий.......................................... 165
5.1. Ионосферные эффекты в период солнечного затмения........... 165
4
5.2. Реакция ионосферы на воздействие мощных солнечных вспышек
по данным GPS................................................ 175
5.3. Мониторинг ионосферных откликов при запусках ракет и
взрывах...................................................... 197
6. Ионосферные возмущения в период формирования
сейсмических событий по данным системы GPS...................... 203
6.1. Сейсмичность земной поверхности и возможность прогноза катастрофических событий........................................ 203
6.2. Ионосферные эффекты землетрясений. Модель сейсмоионосферного взаимодействия............................... 207
6.3. Ионосферные вариации в период сильных землетрясений по данным навигационных систем............................... 211
6.4. Интерпретация ионосферных возмущений в период слабых землетрясений................................................... 247
6.5. Детектирование сейсмоионосферных вариаций в сейсмически спокойных регионах.............................................. 257
Заключение......................................................... 266
Приложение. Структура центра непрерывного мониторинга ионосферы на основе метода радиопросвечивания на трассе спутник-Земля с применением сигналов глобальных навигационных спутниковых систем GPS и Глонасс............................................... 270
Список использованных источников
276
5
Введение
Ионосфера - самая верхняя часть атмосферы Земли, ионизованная коротковолновым излучением Солнца и космическими лучами. Исследование физической природы, морфологии и динамических характеристик неоднородностей электронной концентрации является одной из ключевых задач физики ионосферы. Это вызвано не только числ о научным интересом к проблеме изучения атмосферы Земли как единой динамической системы, но и необходимостью решения ряда прикладных задач радиосвязи, радиолокации, радионавигации. Исследование структуры ионосферы важно как для понимания физики протекающих в ней процессов, так и для решения разнообразных радиофизических задач, связанных с распространением радиоволн.
Изучение особенностей распространения радиоволн в таких средах и разработка новых методов их зондирования являются важными задачами радиофизики, которые входят в Перечень приоритетных направлений фундаментальных исследований (Постановление Президиума РАН №7 от 13.01.98 г. по направлениям «Физика ионосферной и межпланетной плазмы» и «Фундаментальные проблемы распространения радиоволн»).
Поскольку состояние ионосферы Земли сильно зависит от процессов взаимодействия в системе Земля - Солнце, эта плазменная оболочка является объектом систематических исследований. Именно поэтому предметом исследований фундаментальных программ Президиума РАН "Солнечная активность и физические процессы в системе Солнце-Земля" и Отделения физических наук РАН «Плазменные процессы в Солнечной системе» являются разнообразные по временным и пространственным масштабам объекты: корона Солнца, солнечный ветер, плазменные оболочки Земли и других планет. Все эти объекты логически связаны иерархией физических процессов, описывающих передачу кинетической и электромагнитной энергии от Солнца к Земле.
6
Одной из важнейшей задач этих программ является разработка прикладных, прогностических аспектов исследований, необходимых космонавтике, энергетике, климатологии, паукам о Земле. Прикладная сторона является слабым звеном исследований солнечно-земных связей, во-первых, из-за исключительной сложности центрального объекта системы -Солнца и невозможности построения адекватной модели его поведения даже на короткий срок, а во-вторых, из-за сложности моделирования процессов взаимодействия гелиофизических возмущений с плазменными оболочками Земли.
Свойство ионосферы - изменять характеристики проходящих через неё радиоволн - делает ее изучение и контроль состояния важным и для практики радиотехнических измерений. Значительная изменчивость параметров ионосферы обусловила существенную потребность получения текущей информации о её характеристиках с приемлемой для практики точностью. Решение этой задачи имеет важное значение при реализации Федеральной целевой программы «Глобальная навигационная система».
В связи с тем, что ионосфера Земли служит индикатором различного рода техногенных и антропогенных процессов, происходящих на Земле (землетрясения, цунами, влияние солнечной и геомагнитной активности, взрывы, запуски ракет, ядерные испытания и т.д.), эта особенность может быть использована при реализации Федеральных целевых программ МЧС России "Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2010 года" (распоряжение Правительства Российской Федерации от 28 сентября 2005 г. Лг91529-р) и 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
7
космического пространства"), комплексной Федеральной программы «Развитие и модернизация системы сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений» и программы Отделения наук о Земле РАН «Развитие технологий мониторинга, экосистемное моделирование и прогнозирование при изучении природных ресурсов в условиях аридного климата». Все эти программы направлены на совершенствование методов и технологий аэрокосмического мониторинга природной среды и чрезвычайных ситуаций.
В настоящее время особое место в рамках глобального мониторинга антропогенных эффектов занимает разработка алгоритмов и программ, предназначенных для обнаружения, локализации и определения основных характеристик источников природных и техногенных катаклизмов по данным спутникового мониторинга околоземного космического пространства. Развитие этого направления связано с необходимостью повышения чувствительности, точности, глобальности и непрерывности функционирования систем обнаружения и локализации источников техногенных воздействий.
Важной проблемой является мониторинг ионосферы над потенциально сейсмоопасными районами, поскольку установлено, что на стадии подготовки землетрясения ионосфера над эпицентром испытывает различного рода специфические возмущения. Наблюдения за состоянием ионосферы во время сейсмической активности привели к пониманию того, что специфические эффекты в ионосфере, связанные с процессом формирования и прохождения землетрясений, действительно имеют место. Они показали, что в ионосфере над эпицентрами готовящихся землетрясений изменяются спектры вариаций ряда ионосферных параметров [1-9]. Определение параметров ионосферы методом радиопросвечивания на трассе спутник-Земля, рассматриваемым автором в данной диссертационной работе, позволяет, в частности, восстанавливать высотные профили распределения
8
электронной концентрации над потенциально сейсмоопасными регионами со стандартной дискретностью регистрации навигационных сигналов [4-5, 8-10], составляющей 30 секунд.
Процесс подготовки землетрясений занимает, как правило, значительный период времени и поэтому требует проведения длительных наблюдений над возможными очагами землетрясений. Существующая в настоящее время сеть наземных навигационных станций слежения позволяет осуществлять такие наблюдения за состоянием ионосферы и, следовательно, дает возможность определять сейсмоионосферные эффекты землетрясений. Изменения в характере протекания электродинамических процессов в атмосфере и ионосфере служат средством контроля за динамикой литосферы на стадии подготовки землетрясения. В настоящее время получены экспериментальные и теоретические результаты, обеспечившие значительный прогресс в исследовании влияния протекающих в разломах сейсмических процессов на окружающую среду. К наиболее существенным из них относятся явления в ионосфере и магнитосфере Земли, предшествующие и сопровождающие землетрясения, которые обнаружены благодаря исследованиям плазменной оболочки с использованием спутников различного назначения [1-4].
Практическая важность контроля состояния плазменной оболочки Земли стимулировала интенсивное изучение ионосферы, прежде всего как среды распространения радиоволн. Получение информации о пространственном распределении электронной концентрации вдоль трассы распространения радиоволн представляет собой непростую задачу, поскольку высотные профили распределения электронной концентрации ионосферы существенно изменяются как с течением суток, так и с долготой и широтой, зависят от сезона, от солнечной и магнитной активности [11-13]. Для получения достаточно полной информации об ионосфере потребовалось
9
бы слишком большое количество средств, равномерно распределенных по поверхности планеты [12].
Необходимость прогнозирования состояния ионосферы возникает в связи с потребностями как систем радиосвязи и исследованиями ионосферного распространения радиоволн, так и обеспечения эффективности функционирования спутниковых радиотехнических систем, в частности, спутниковых систем космической навигации (GPS, GALILEO и ГЛОНАСС) и геодезии (TOPEX/POSEIDON, JASSON-1) и радаров с синтезируемой апертурой [14-21].
Получение полной планетарной картины распределения основных параметров ионосферы требуется как при проведении геофизических исследований, так и установлении механизма солнечно-земных связей, позволяющих создать единую динамическую глобальную модель ионосферы, простирающуюся от поверхности Земли до границ магнитосферы. Основная трудность создания модели реальной ионосферы состоит в необходимости учета большого числа параметров, характеризующих её структуру. Многообразие параметров, необходимых для описания ионосферы, и определяет, в основном, сложность создания приемлемой для практических применений модели [11-12].
Прогнозные расчеты состояния ионосферы Земли для различных гелиогеофизических условий достаточно сложны. Они представляют интерес лишь в том случае, если удается получить практически осуществимую программу оценки параметров ионосферы, учитывающую всю сложность процессов, связанных с ее образованием, и дающую необходимую точность расчетов [12]. Выбор наиболее значимых параметров является, в некоторой степени, произвольным шагом. Он определяется той целью, для решения которой этот выбор делается. Кроме того, при практических применениях на выборе определяемых параметров ионосферы сказывается и степень трудности их получения.
10
При выборе наиболее важных параметров для повсеместного их исследования встречаются следующие трудности:
► селекция наиболее важных для изучения и исследования ионосферы гелио- и геофизических явлений;
► явления, которые играют существенную роль в одних зонах земного шара, могут частично или полностью отсутствовать в других;
► наиболее существенные параметры, которые доступны для измерений в одних районах земного шара, могут быть недостоверными и трудно определяемыми в других регионах.
Отсюда следует, что при исследовании ионосферы большая часть возникающих проблем может быть решена только с учетом и при тесном сотрудничестве многих организаций, применяющих как традиционные методы наблюдений, так и новые независимые методы, которые могут быть использованы для получения репрезентативных данных через сравнительно короткие временные интервалы. Кроме того, эти данные должны обеспечивать расчет значений регулярных ионосферных характеристик не только над самой станцией, но и в её окрестностях. Получение таких репрезентативных данных позволит определить перечень параметров, характерных как для данного региона земного шара, так и для изучения глобальной морфологии ионосферы.
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 ¥2. Что касается верхней ионосферы, то соответствующая информация о высотном распределении электронной концентрации ранее могла быть получена только с помощью ионозондов космического базирования [22], вертикальных запусков ракет [23-25] и немногочисленных установок некогерентного рассеяния радиоволн [11, 26-27].
11
Эти средства достаточно дороги. В связи с этим особую остроту приобретает система определения параметров ионосферы на основе анализа свойств сигналов, излученных искусственными спутниками Земли. Появление навигационных спутниковых систем, работающих на двух когерентных сигналах [16-18], открывает новые возможности для дистанционного зондирования ионосферы Земли [10, 28-37]. Реализация этих возможностей представляет практический интерес лишь в том случае, если удается получить не требующую больших материальных и временных затрат исходную измерительную информацию и разработать соответствующие методики и программы расчетов параметров ионосферы.
В настоящее время для определения характеристик различных объектов используются радиофизические методы, основанные на решении обратных задач математической физики. Эти методы находят широкое применение при зондировании ионосферы Земли. Функции ионозонда могут выполнять многочастотные спутниковые системы, предназначенные для других целей.
Измерения параметров спутниковых сигналов в сочетании с методами математической обработки и моделирования нашли широкое применение в связи с внедрением в практику исследований современных вычислительных средств и методов экспериментальных исследований. Наличие штатных измерений радионавигационных параметров дает возможность использовать спутниковые радионавигационные системы как уже существующий, технически совершенный, надежный, широко распространенный и в этом смысле относительно дешевый инструмент получения диагностической информации об атмосфере Земли. В частности, они позволяют определять высотное распределение электронной концентрации ионосферы Земли с использованием специального математического аппарата решения так называемых некорректных обратных задач (без дополнительного зондирования с помощью спутниковых ионозондов и ионосферных станций
12
или их редкого использования для сопоставления измерений в части высот, доступных ионосферным станциям).
Предложенные в [36-44] методы определения параметров ионосферы по данным спутниковых измерений дают возможность контролировать только интегральное содержание электронного распределения ионосферы Земли. Рассматриваемый в [14, 28] метод определения параметров земной ионосферы основан на использовании классической схемы радиопросвечивания спутник-спутник. Он 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. Кроме того, геометрия эксперимента по затменной схеме радиопросвечивания спутник-спутник как правило такова, что получить высотное распределение ионосферы в данном месте и в данное время не всегда представляется возможным.
Автором диссертационной работы показано, что глобальные спутниковые радионавигационные системы GPS и ГЛОНАСС дают уникальную возможность получения высотного профиля распределения электронной концентрации ионосферы Земли в подорбитальном пространстве космического аппарата для различных гелио- и геофизических условий в любое время суток и любой точке земной поверхности, включая океаны и моря, северный и южный полюса [4, 10, 32-33, 45-46].
В настоящее время мониторинг земной ионосферы переходит на новый методический и технологический уровень, обусловленный полным развертыванием глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS и развитием алгоритмов обращения двухчастотных радиосигналов, предназначенных для определения параметров земной ионосферы. Этот переход является новой эрой в ионосферных исследованиях, поскольку основные свойства этих систем - возможность проводить измерения
13
непрерывно во времени и в пространстве в любой точке земного шара [16-18] - непосредственно переносятся на ионосферный мониторинг и позволяют обеспечить исследование глобальных и региональных явлений в ионосфере.
Использование навигационных систем для изучения и контроля состояния ионосферы представляет собой научно-технологический прорыв в области дистанционного зондирования верхней атмосферы и обладает глобальной перспективой, обусловленной большим количеством навигационных спутников и наземных пунктов наблюдения. Глобальные навигационные спутниковые системы можно использовать для изучения таких характеристик ионосферы, как интегральная электронная концентрация 135-37], профиль высотного распределения электронной концентрации [10, 32-33], ионосферные неоднородности [47], спорадический Е-слой [48], активность авроральной области ионосферы [35, 49], перенос крупномасштабных неоднородностей [50], воздействие искусственных возмущений на ионосферу [51-53], реально-временные и азимутальновременные вариации параметров максимума слоя F2 [54-58].
Преимущества глобальных навигационных систем для мониторинга ионосферы Земли заключаются в следующем [30]:
1) возможность использования уже существующих спутниковых сигналов; 2) наличие хорошо развитой сети наземных пунктов международной геодезической службы (IGS - International Geodynamics Service) и опорных региональных пунктов (CORS - Continuously Operating Reference Stations); 3) применение для измерений стандартных двухчастотных навигационно-геодезических приемников; 4) интегральное электронное содержание ионосферы не зависит от предположений о магнитном поле Земли вплоть до высоты 20000 км; 5) данные двухчастотных измерений могут быть получены из многих источников, например, из баз данных IGS и CORS через Интернет; 6) данные измерений содержат информацию о всей толще ионосферы; 7) базы данных IGS и CORS содержат
14
измерения разных типов приемников в едином формате RINEX (Receiver Independent Exchange) [http://igscb.jpl.nasa.gov:80/igscb/data/format/rinex2.txt]; 8) влияние поглощения в ионосфере и магнитного поля Земли на параметры радиоволн можно не учитывать, так как номиналы излучаемых спутниками сигналов f » 1,6 ГГц и /2 « 1,2 ГГц достаточно высоки.
Наземная навигационная сеть, насчитывающая в настоящее время свыше 1000 стационарных приемников GPS/ГЛОНЛСС, данные которых представлены в Интернете, довольно плотно покрывает Северную Америку, Европу и гораздо хуже Азию. Меньше приемников на Тихом и Атлантическом океанах. Однако такое заполнение земной поверхности уже сегодня позволяет решать задачу глобального детектирования возмущений с невиданным ранее пространственным накоплением. Так, в Западном полушарии соответствующее количество приемников уже сегодня может достигать не менее 500, а количество лучей (радиотрасс) - не менее 2000-3000. Общедоступность международной геодезической сети, данные которой ежесуточно выставляются на сайте в Интернете, позволяет проводит!» отработку методик детектирования эффектов воздействия на ионосферу различных факторов - как естественного, так и антропогенного происхождения.
Наличие незначительного числа наблюдательных пунктов на территории России не позволяет использовать для определения параметров ионосферы хорошо развитые в настоящее время методы компьютерной радиотомографии [34, 59-69). В такой ситуации метод радиопросвечивания на трассе спутник-Земля является практически единственно возможным средством, позволяющим единовременно определять высотные профили распределения электронной концентрации ионосферы на большей части её территории [4, 10, 32-33, 70-73].
Поскольку наблюдения в сети проводятся непрерывно в различных точках земной поверхности, то получаемые с них данные измерений
15
являются хорошей дополнительной, а часто и единственной информацией о динамике ионосферы. Автором диссертационной работы показано, что эти измерения позволяют проводить исследования регулярных вариаций максимума электронной концентрации таких, как сезонные, суточные с выявлением различного рода трендов [56-57, 70-73].
Методология исследований, развиваемая автором диссертационной работы и основанная на решении обратных задач, является одним из новых направлений в изучении процессов, происходящих в ионосфере Земли. Преимущество методов, основанных на решении обратных задач распространения радиоволн в неоднородной атмосфере, заключается в том, что они позволяют проводить экспериментальные исследования непосредственно при эксплуатации спутниковых систем, предназначенных для решения других задач. Этот подход повышает информативность исследований и дает возможность проводить экспериментальные исследования более оперативно по сравнению с традиционными методами.
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 траоое спутник-Земля в реальном масштабе времени;
16
► разработка алгоритмов и программных средств, предназначенных для решения образной 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.
Научная новизна работы заключается в теоретическом, методическом и экспсриментатьном обосновании и решении проблемы создания технологии непрерывного мониторинга для исследования и прогнозирования состояния
17
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. Показана эффективность алгоритма решения обратной задачи радиопросвечивания ионосферы методом сопряженных градиентов на множествах специальной структуры по данным навигационных спутниковых систем.
► 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.
► 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
18
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 ме тодом 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.
► Предложена методика детектирования сейсмоионосферных вариаций по данным навигационных спутниковых систем. Апробация методики проведена на реальных сейсмических явлениях, имевших место в различных регионах Земли.
► Проведены верификационные эксперименты для отработки метода радиопросвечивания и применения двух частотной приемной аппаратуры навигационных систем при реализации технологии непрерывного мониторинга.
► 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
19
использованием сигналов навигационных систем ГЛОНАСС и GPS в масштабе реального времени.
На защиту выдвигаются следующие положения:
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
20
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., Китай), 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.
Общее руководство этими исследованиями осуществлялось профессором H.A. Армандом и профессором В.А. Андриановым. Постановка задачи, разработка методов и алгоритмов, создание программ, моделирование, обработка и анализ полученных данных выполнены лично автором. Интерпретация научных результатов осуществлялась вместе с
21
соавторами публикаций (Алпатов В.В., Андрианов В.А., Арманд H.A., Бондур В.Г., Григорьевский В.И., Дубров М.Н., Марчук В.Н., Мосин Е.Л., Смирнова Е.В.), которым автор благодарен за плодотворную совместную работу. Автор также выражает благодарность сотрудникам Центра проблем аэрокосмического мониторинга «Аэрокосмос» за обсуждение и внедрение результатов работы.
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».
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.
В первой главе, являющейся обзорно-методологической, рассмотрены и проанализированы основные радиофизические методы исследований и мониторинга ионосферы Земли. Отмечается, что для создания эффективной технологии непрерывного мониторинга ионосферы Земли необходимо использовать комплексный подход, основанный на кооперации всех существующих в настоящее время систем дистанционного зондирования.
Приведены функциональные связи параметров зондирующих сигналов и среды их распространения. Рассмотрены основные геометрические аспекты метода радиопросвечивания на трассе спутник-Земля и его практической реализации. Проанализирована возможность использования данного метода
22
для определения высотного распределения параметров ионосферы в планетарном масштабе в реальном режиме времени.
Во второй главе изложены теоретические основы метода решения обратной задачи радиопросвечивания ионосферы на трассе спутиик-Земля. Рассмотрены основные математические аспекты моделирования процесса распространения радиоволн при решении прямой и обратной задач радиопросвечивания. На основе результатов численного моделирования доказано, что существенным моментом при решении обратной задачи является использование априорной информации о среде распространения.
Обосновано применение метода сопряженных градиентов на специальных множествах для решения обратной задачи радиопросвечивания на трассе спутиик-Земля. Методом численного моделирования исследовано влияние априорной информации на точность решения обратной задачи радиопросвечивания ионосферы Земли и определена область применимости спутниковых навигационных измерений при реализации разработанного метода. Рассмотрено влияние погрешности радионавигационных измерений при решении обратной задачи. Показано, что применение метода радиопросвечивания для определения профиля высотного распределения электронной концентрации ионосферы обеспечивает получение качественно новой информации при точности проведения радионавигационных измерений не хуже 0,2 м. При этом достигается высокая точность определения высотного распределения электронной концентрации.
В третьей главе, также являющейся оригинальной, проведен анализ характеристик навигационных спутниковых систем и возможности их использования для мониторинга ионосферы. Рассмотрена возможность определения полного электронного содержания ионосферы но данным дальномерных и фазовых измерений. Получены соответствующие соотношения для его расчета, рассмотрено влияние возможных ошибок на точность определения.
23
Приведены результаты практического применения метода радиопросвечивания для определения регулярных вариаций электронной концентрации ионосферы по данным дальномерных измерений. Показана принципиальная возможность определения азимутально-временных вариаций электронной концентрации ионосферы по однопозиционным наблюдениям. Отмечается, что метод радиопросвечивания позволяет анализировать суточные вариации практически любой части ионосферы.
По результатам обработки экспериментальных данных, полученных с использованием разнесенных приемных пунктов, показано, что глобальность навигационных спутниковых систем дает возможность использовать одновременно один и тот же спутник для мониторинга ионосферы в разных точках земной поверхности.
Четвертая глава посвящена изучению особенностей реконструкции пространственно-временной структуры ионосферы методом радиопросвечивания на трассе спутник-Земля. Проанализированы возможности реконструкции двух - трехмерной структуры регулярных параметров ионосферы, приведены результаты реализации такого определения. Проведена аналогия с методом компьютерной томографии.
Утверждается, что полученные в результате применения метода радиопросвечивания высотные профили распределения могут служить основой построения пространственно-временной структуры ионосферы Земли. Проведен анализ возможности реконструкции пространственно-временной структуры ионосферы с использованием экспериментальных данных, полученных на разнесенных на малое расстояние наземных пунктах, и представлены результаты обработки. Отмечается, что такие измерения можно использовать для определения характеристик неоднородностей ионосферы.
В пятой главе на основе реальных данных измерений автором диссертационной работы доказана принципиальная возможность
24
исследования методом радиопросвечивания ионосферной изменчивости во время гелиофизических возмущений. На основе результатов навигационных измерений рассмотрено влияние солнечных затмений на состояние ионосферы. Показана реальная возможность мониторинга ионосферы в глобальном масштабе при возникновении указанных явлений.
В шестой главе, являющейся оригинальной, на основе анализа особенностей прошедших сейсмических событий показано, что ионосфера является индикатором формирующихся как сильных, так и слабых землетрясений. Многодневный мониторинг состояния максимума Р2 слоя ионосферы, осуществленный с использованием разнесенных двухчастотных навигационных приемников, показал возможность детектирования возмущенных областей в период подготовки сильных землетрясений. На примере прошедших сейсмических событий показана возможность детектирования сейсмоионосферных возмущений в период повышенной геомагнитной активности.
В приложении представлена частично реализованная в настоящее время структура наземно-космического центра непрерывного мониторинга ионосферы Земли, представляющая собой прообраз полномасштабной системы непрерывного мониторинга земной ионосферы в планетарном масштабе.
В заключении перечислены результаты работы и сформулированы следующие из них выводы.
25
1. Научно-методические основы исследований и мониторинга ионосферы Земли методом радиопросвечивании
1.1. Радиофизические методы исследований и мониторинга
ионосферы Земли
Ионосфера - это ионизованная часть верхней атмосферы Земли, которая окружает нашу планету в виде оболочки, расположенной на высотах выше 60-70 км. Главный источник образования ионосферы - ионизующее излучение Солнца, характеристики которого обусловлены изменяющейся солнечной активностью. Многие физические параметры, как солнечного ионизующего излучения, так и самой ионосферы и среды, в которой находится ионосфера, т.е. верхней атмосферы и геомагнитного поля Земли, стали доступны для измерений лишь с развитием научных исследований на ракетах и искусственных спутниках. Поскольку все эти параметры часто не зависимы друг от друга, и находятся в непрерывном изменении, потребовалось проведение ряда комплексных программ измерений.
Исследование условий и выяснение механизма образования и изменения ионосферы потребовало участия и коллективных усилий представителей самых разных разделов науки (ракетной техники, физики, химии, радиофизики, геофизики, гелиофизики). Благодаря удачному сочетанию экспериментальных и теоретических исследований все поставленные задачи были в основном успешно решены [74].
Решающую роль в формулировке основных представлений о строении земной ионосферы и регулярных изменениях ее параметров сыграли наземные радиофизические методы, которые продолжают активно применяться и в настоящее время. Появление новых задач послужило стимулом как для развития существующих, так и для разработки новых эффективных методов изучения и мониторинга ионосферы Земли.
26
По отношению к проблеме распространения радиоволн изучение свойств ионосферы с помощью радиосигналов является обратной задачей. В этом случае по характеристикам сигналов, прошедших через ионосферу, можно сделать заключение о параметрах среды, влияющей на распространение радиоволн. В данном случае характеристиками сигналов могут быть регулярные и случайные (флуктуационные) изменения амплитуды и фазы, времени запаздывания и углов прихода радиоволн.
Главную роль среди дистанционных методов в связи с изменчивостью ионосферы играют методы зондирования, позволяющие получать информацию в реальном времени. Особое место среди них занимают методы радиозондирования, имеющие развитую техническую базу, хорошо разработанную методику измерений и давшие за свою более чем семидесятилетнюю историю основную долю информации о строении ионосферы.
Радиозондирование ионосферы с поверхности Земли является наиболее распространенным и удобным средством непрерывного наблюдения и поэтому представляет собой основной источник получения ионосферных данных в планетарном масштабе [12]. Эти данные широко используются для прогноза ионосферных параметров. Существенный прогресс в изучении ионосферы связан с тем, что наряду с развитым ранее методом наземного вертикального зондирования в настоящее время активно используются методы исследования ионосферы, основанные на запусках ракет, использовании наземных и спутниковых ионозондов и станций некогерентного рассеяния радиоволн.
Литература по ионосферным исследованиям свидетельствует о важном значении широкого географического распределения станций для исследований морфологии земной ионосферы, анализа и понимания многих геофизических событий, некоторые из которых происходят достаточно редко, а также для составления ионосферных карт, необходимых для
27
геофизических исследований, и прогнозов условий распространения радиоволн.
Что касается исследований ионосферы с использованием спутниковых средств, то необходимо иметь в виду, что они дают большой объем информации об изменениях ионосферы от точки к точке в данное фиксирование время, но не позволяют определить развитие явления во времени или отделить временные изменения от пространственных. Поэтому эти данные трудно использовать, если не проводить систематических наземных измерений. Применение для этих целей навигационных спутников позволяет в существенной мерс устранить эти недостатки.
В случае ракетных измерений систематические наземные наблюдения позволяют судить о том, были ли ионосферные условия во время запуска ракеты обычными или аномальными. При спутниковых исследованиях наземные данные позволяют изучать динамику явления и, следовательно, определять причины, ответственные за наблюдавшиеся пространственные изменения. При этом наземные наблюдения необходимы для разделения временных и нросгранственных изменений: при наблюдении со спутника кратковременное глобальное возмущение может показаться локальным, когда оно наблюдается на части орбиты во время активной фазы возмущения. Как ракетные, так и спутниковые данные представляют большую ценность, если известны геофизические условия за каждый день. Информацию об этих условиях может быть получена на основе синоптических наземных данных [27].
Среди многочисленных радиофизических методов изучения и контроля за состоянием ионосферы следует выделить метод некогерентного рассеяния, наземные и спутниковые ионозонды, доплеровский метод, наклонное и возвратно-наклонное зондирование, запуски геофизических ракет [22-27, 36-42, 75-79].
28
Классические методы изучения ионосферы с Земли сводятся к импульсному зондированию - посылке радиоимпульсов и наблюдению их отражений от различных слоев ионосферы с измерением времени запаздывания и изучением интенсивности и формы отраженных сигналов. Измеряя высоту отражения радиоимпульсов на различных частотах, и, определяя критические частоты различных областей (критической называется несущая частота радиоимпульса, для которой данная область ионосферы становится прозрачной), можно определять значение электронной концентрации в слоях и действующие высоты для фиксированных частот, выбирать оптимальные частоты для заданных радиотрасс.
Основной массив информации об ионосфере в интервалах высот от области слоя £(90-140 км) до максимума слоя £2(200-400 км) накоплен с помощью классического метода вертикального радиозондирования, являющегося до настоящего времени основным методом исследования ионосферы Земли.
Несмотря на широкую распространенность, этот метод имеет свои ограничения, стимулировавшие поиски других измерительных средств. Наземные и спутниковые ионозонды, оказывающие неоценимую помощь в исследовании ионосферы другими методами, также как и метод вертикального зондирования, дают информацию о состоянии ионосферы в областях над измерительной установкой или расположенной ниже установки. Ионозонд способен дать информацию о слоях ионосферы, в которых электронная концентрация возрастает с удалением от измерительной установки. Наземный ионозонд исследует ионосферу ниже главного максимума электронной концентрации, спутниковый - выше максимума. Сам максимум электронной концентрации является общей точкой, регистрируемой обеими установками, и может служить для согласования наземной и внешней ионограмм. Метод зондирования сверху, осуществляемый с помощью ионозонда, размещенного на спутнике,