Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Неоднородные структуры в ионосфере 11
1.1. Параметры ионосферных неоднородностей 11
1.2. Механизмы формирования неоднородностей 16
1.3. Акустико-гравитационные волны как причина ионосферных возмущений 18
1.4. Классификации неоднородных структур в ионосфере 25
Глава 2. GPS- интерферометрия как развитие методик диагностики неоднородностей ионосферы 27
2.1. Методы дистанционной диагностики ионосферы 27
2.2. Влияние ионосферных неоднородностей на распространение спутниковых сигналов 32
2.3. Использование сигналов GPS для исследования ионосферы 37
2.4. Определение параметров ПИВ при использовании GPS- данных. 43
Глава 3. Анализ вейвлет-спектров сигналов системы GPS 57
3.1. Вейвлет-спектры временных последовательностей 59
3.2. Исследование статистического подхода и его характеристик при анализе вейвлет-спектров 61
3.3. Применение вейвлет-анализа к данным GPS 75
3.4. Основные результаты Главы 3 83
Глава 4. Основные результаты исследований 85
4.1.. Общая характеристика используемых геофизических данных 85
4.2. Общая характеристика наблюдательных GPS подсетей
4.3. Влияние геомагнитных условий на волновую активность 95
4.4. Волновой спектр ионосферных неоднородностей 102
4.5. Анализ ионосферных возмущений в октябре - ноябре 2003г 111
4.6. Влияние геомагнитных условий на структуру GPS- сигналов 118
4.7. Краткие итоги главы 4 127
Заключение 129
Литература 132
Приложение 143
- Механизмы формирования неоднородностей
- Влияние ионосферных неоднородностей на распространение спутниковых сигналов
- Исследование статистического подхода и его характеристик при анализе вейвлет-спектров
- Общая характеристика наблюдательных GPS подсетей
Введение к работе
Актуальность работы.
Наличие неоднородных структур в атмосфере и ионосфере Земли является типичным состоянием этих сред и связано с широким кругом явлений. Во-первых, речь идет о целом многообразии процессов, протекающих на Солнце и в околоземном космическом пространстве (ОКП) и приводящих, например, к магнитным бурям. Совокупность явлений, связанных с ОКП и солнечно-земными взаимодействиями часто собирательно называют космической погодой. Вместе с тем, ионосфера как часть атмосферы является индикатором различных процессов и в системе «планета Земля - атмосфера», например, тайфунов, циклонов, землетрясений и проч. Под термином «неоднородные структуры» ионосферы и атмосферы здесь и ниже понимается отклонение параметров ионосферной плазмы (концентрация, электронная и ионная температура и т.п.) и атмосферных полей температуры, давления, влажности от средних, равновесных значений для данного сезона, времени суток, высоты и геомагнитных условий в силу различных, в том числе и флуктуационных, процессов.
Таким образом, ионосфера является уникальной средой для эффективного выделения и изучения возмущений различной природы. В самом деле, появление в ионосфере неоднородностей приводит к изменению условий распространения радиоволн, используемых для исследовательских, связных и навигационных приложений. Изучая характеристики параметров зондирующих трансионосферных сигналов возможно, изучать изменения в состоянии атмосферы и ионосферы, а изменение количества регистрируемых феноменов, например, неоднородностей, связанных с ними сбоев и проч., может быть индикатором определенных процессов в изучаемых средах. Научный интерес к проблеме исследования ионосферных возмущений и причин их появления обусловлен еще и тем, что воздействия магнитных бурь, солнечных вспышек и т.п. можно трактовать как активные эксперименты в атмосфере-ионосфере Земли и использовать для решения целого ряда задач физики ионосферы, ионосферного распространения радиоволн и т.д. без вмешательства в нашу среду обитания, т.е. проведения активных экспериментов.
Такая постановка задачи важна не только для исследовательских задач радиозондирования в физике атмосферы, ионосферы и околоземного пространства, но и для различных радиофизических приложений. Прикладной радиофизический аспект обусловлен влиянием неоднородных структур на распространение радиоволн в широком диапазоне длин волн (от сотен метров до десятков сантиметров), используемых в радиосвязи, радиолокации, радионавигации и радиоастрономии.
Отметим, что неоднородности в ионосфере, наряду с флуктуационной природой, в ряде случаев имеют и волновые характеристики разных пространственно-временных масштабов, являющихся индикаторами всевозможных динамических процессов в ионосфере [1-21]. Между тем, механизмы образования и свойства этих структур изучены и теоретически, и экспериментально недостаточно, несмотря на все успехи последних десятилетий, например, интерпретация наблюдаемой крайне сложной интерференционной картины и полученных результатов неоднозначна в связи с комплексностью указанной проблемы.
Таким образом, исследование структуры и динамики ионосферных структур и перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ) квазиволнового типа в связи с геомагнитной и солнечной активностью, является актуальной задачей физики атмосферы Земли и радиофизики, поскольку эти возмущения являются проявлением атмосферных внутренних и акустико-гравитационных волн (ВГВ и АГВ соответственно), дающих существенный вклад в общую динамику и энергетику верхней атмосферы [7, 14]. Уникальность ситуации связана с тем, что причиной появления волнового возмущения в ионосфере могут быть различные процессы - внутренние, атмосферные и внешние, определяемые динамикой в околоземном космическом пространстве.
Наблюдаемая экспериментально картина возмущений электронной концентрации всегда является результатом интерференции ИН и ПИВ от различных источников. Более того, основные методы трансионосферных исследований такой интерференционной картины - кроме радиотомографии -принципиально двумерны, т.е. не решают вопрос о высотной локализации наблюдаемых структуры. Иными словами, возможна ситуация, когда несколько ПИВ с различными параметрами, локализованных на разных высотах, интерпретируются как одно образование с некоторыми эффективными характеристиками.
Существующие последние* 50 лет двумерные методики изучения ПИВ по движению дифракционной картины по поверхности Земли теперь развиваются для использования сигналов системы GPS. В интерферометрических методах считается, что изучаемая картина получена в предположении действия на зондирующий сигнал некоторого эффективного модулирующего экрана, заменяющего действие всех сред распространения. Это тем более оправдано, что в качестве исследуемого параметра методы выделяют интеграл от фазовых или амплитудных набегов в тестовой волне вдоль луча зондирования.
Именно такой подход дал огромный материал и основные результаты о неоднородных структурах и ПИВ ах ионосферы за более чем полувековую историю своего использования. Разработанные ранее методики, в силу своей развитости и сравнительной простоты, остаются основными при получении информации об ионосфере и атмосфере, а использование в них сигналов навигационной системы GPS без преувеличения явилось важнейшей вехой их развития, поскольку позволило в принципе решить вопрос систематического сбора и изучения описанных выше феноменов не эпизодически, но в течение длительного времени в различных регионах Земли.
Методы GPS- интерферометрии не требуют специальной калибровки. Они используют сопутствующую информацию, получаемую при постоянном геодезическом мониторинге на наблюдательных станциях. Количество станций наблюдения уже сейчас превосходит число постов Всемирного Метеорологического Общества (WMO) и накоплен колоссальный объем такой информации, превосходящий несколько Тб в архивированном виде. Именно поэтому важно создание эффективных программ по автоматической обработке и систематизации получаемых данных по региональному признаку. Методы GPS-интерферометрии позволяют исследовать как естественные процессы в средах, так и явления связанные с антропогенным воздействием (крупными взрывами, стартами ракет) или природными катаклизмами (землетрясениями, магнитными бурями или солнечными вспышками).
В этой связи, основной целью данной работы является систематические исследования ИН и ПИВ, регистрируемых в ионосфере дифференциальными методами по данным полного электронного содержания на основе GPS - радио интерферометрии в различных геофизических условиях и уровнях солнечной активности. - Основные задачи, решаемые в данной работе условно делятся на :
1) методические, направленные на совершенствование способов обработки спутниковой информации,
2) реализацию предложенных методов анализа в конкретном пакете специализированных прикладных программ,
3) использование созданного ПО непосредственно для обработки и геофизического анализа обширного экспериментального материала. Проведение геофизического анализа результатов.
Для решения поставленных задач необходимо: использовать и развить опробованные радио-интерференционные GPS-методов исследования ионосферных неоднородностей. развитие методик исследования сигналов системы GPS и увеличение точности определения НЧ компонент ионосферных сигналов с использованием вейвлет-анализа, отработка методики в ходе численного моделирования для выработки критериев автоматической обработки данных; реализовать разработанные методики в конкретном пакете специализированных прикладных программ, провести мониторинг ИН с использованием региональных данных, определить частоты появления, спектральные характеристики и параметры движения ИН, провести геофизический анализ и интерпретацию полученных результатов.
Таким образом, для выполнения работы по сути необходимо создать и использовать высокоэффективное программное обеспечение, позволяющее проводить интерактивный комплексный анализ огромного объема экспериментальных GPS-данных, что включает в себя анализ целостности и качества используемых данных, проводимый комплексом в автоматическом режиме при вводе или пользователем с возможностью полной визуализации исследуемых сигналов; выделение волновых структур и определения параметров их движения корреляционным методом по данным на трех наблюдательных станциях; спектральный и вейвлет-анализ всех сигналов, выбранных пользователем или комплексом (при автоматической обработке) для анализа; визуализация практически всех этапов обработки и результатов анализа, построение карт пространственных распределений ТЕС и его производной по времени.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты по обработке огромных объемов экспериментальных данных и разработанные в диссертации методы, в частности, по использованию вейвлет- анализа при исследовании ионосферных сигналов, могут быть использованы для получения новых систематических данных о связях в системе геосфер на основе информации об ионосферных неоднородностях, их динамике и характеристиках. Такая информация необходима для разработки моделей ионосферных процессов и взаимодействий, при создании новых высокоэффективных систем диагностики и мониторинга ионосферы, как части комплекса космической погоды, обладающих повышенной чувствительностью, информативностью и высоким пространственно-временным разрешением, а также для развития методов прогнозирования ошибок позиционирования в спутниковых радионавигационных системах. Созданный в работе комплекс GRASS GPS позволяет в полуавтоматическом режиме решать задачи регионального мониторинга ионосферы на базе GPS- интерферометрии с возможностью интерактивного контроля получаемых данных.
Защищаемые положения:
1. Методика статистической обработки вейвлет-спектров сложных сигналов и исследования ее возможностей. Практическое определение порогового уровня детектирования наличия гармоники в реальном сигнале системы GPS.
2. Результаты анализа данных сети IGS с использованием созданного оригинального ПО CRASS GPS для наблюдательных сетей в районах Венеции,
Детройта и Тихоокеанского побережья Калифорнии в период всего 2005г. и октября-ноября 2003 г, всего около 800 миллионов индивидуальных измерений фазы навигационного сигнала. Получено, что солнечные вспышки могут непосредственно приводить к росту волновой активности и изменению параметра степенной аппроксимации волнового спектра в несколько раз. Аналогичные эффекты наблюдаются во время геомагнитных возмущений с амплитудой I Dst] >120пТ.
Впервые для оценки средней скорости коронарных выбросов солнечной массы при вспышках использованы возникновение волновой активности или изменение параметра степенной аппроксимации волнового спектра выделенных квазиволновых структур. Сравнение с независимыми данными измерений скорости солнечного ветра на ИСЗ SOHO показывает согласие полученных численных значений величин средних скоростей с in situ экспериментами.
Определение изменения волновой активности в ионосфере по характерным особенностям спектральной структуры самих регистрируемых сигналов системы GPS, а не по интерферометрическим данным, которые требуют специальных методов детектирования и обработки.
Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на российских и международных конференциях: XX Всероссийской конференции по распространению радиоволн (Нижний Новгород, 2002), XXI Всероссийской научной конференции "Распространение радиоволн" (Йошкар-Ола, 2005), XIII International symposium Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics (Томск 2006г.), Всероссийской Научной Конференции «Ломоносовские чтения» (Москва, 2006г.), Международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» ИРЭМВ-2007 (Таганрог, 2007), XI Всероссийской школы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах» (Звенигород 2008).
По теме диссертации опубликовано 10 работ в отечественных и зарубежных изданиях.
Достоверность результатов, изложенных в диссертации, определяется адекватным физическим обоснованием использованных методов и предложенных методик, их проверкой численным моделированием и в экспериментах. Полученные в экспериментах физические характеристики находятся в качественном и количественном согласии с результатами независимых исследований, опубликованных ранее другими авторами.
Личный вклад автора
Основные результаты работы являются оригинальными и получены либо при непосредственном участии, либо лично автором при его работе по : разработке и тестировании методик статистического исследования сигналов системы GPS с использованием вейвлет-анализа, создании и тестировании программного комплекса KPACC-GPS (CRASS-GPS) - инструмента Комплексного Регионального Анализа Спутниковых Сигналов (Complex Region Analysis of Satellite Signals) навигационной системы GPS, обработке экспериментального материала и проведении огромного объема необходимых вычислений, для чего автором были реализованы различные рабочие схемы применения комплекса CRASS GPS, проведению геофизической интерпретации полученных данных.
Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа содержит страниц текста, рисунков.
Механизмы формирования неоднородностей
В радиофизических исследованиях [5,8,9,14-23] регистрируют параметры поля (дифракционной картины), прошедшего через или отразившегося от неоднородной среды, что позволяет получать, в основном, двумерные характеристики структур, например, в случаях пространственно- и частотно-разнесённого приёма [5, 8, 15-16] при применении корреляционного анализа [16-нов, 16] для данных вертикального зондирования, метода Мерсье [20] или разных вариантов GPS- интерферометрии [20,21] как случая трансионосферного зондирования ионосферы.
Если неоднородность электронной концентрации рассматривать как эллипсоид вращения, то у него есть преимущественная ориентация главной оси вдоль магнитного поля Земли при отношении осей 4:2:1 в средних широтах. Спектр "горизонтальных" размеров (т.е. в проекции на Землю) неоднородностей очень широк и занимает диапазон от десятков - сотен м [7,8] и нескольких км -десятков км [7-10,23,25] до глобальных структур в сотни и тысячи км [13,14,21,23]. Отношение осей эллипса в плоскости Земли е в средних широтах для крупномасштабных неоднородностей составляет от 1 до 10, с наивероятным значением енв= 2...4, причем для средних и мелких образований енв 1,5... 2. Для высоких широт степень вытянутости вдоль магнитного поля увеличивается: е11В 5...10[9, 15].
Наблюдение за движением дифракционной картины, доплеровские измерения или наблюдения за примесями-маркерами дают возможность оценить скорости различных неоднородностей в плазме. Получено, что в слое Е скорость регулярного дрейфа Удр лежит в пределах 20... 200 м/с при наивероятном значении Удр = 60... 80 м/с, для слоя F2 эти величины соответственно составляют 20 ... 1200 и 40... 500 м/с [10-23]. Данные, приведенные далее, не противоречат этим. Например, в [18] измеряется горизонтальная скорость ветра в высокоширотной F-области с помощью метода HP и специального эксперимента MICADO (Michelson Interferometer for Coordinated Auroral Doppler Observation) на линии эмиссии кислорода O D (630 нм). Получено, что скорость зонального ветра составляет 50...450 м/с при ошибке измерений AVHP O м/с, AVMICADO=10 м/с. Аналогичные данные получены и в ходе активных экспериментов по инжектированию в плазму «кинематических маркеров», например, [19]. Скорость движения образовавшихся подобных ионосферным неоднородных структур составляет 80... 300 м/с, а размеры - несколько десятков км вдоль магнитного поля Земли и от сотен м до нескольких км "высоту".
Более того, и прямые ракетные измерения разных лет [3,24] в целом согласуются с приведенными выше результатам экспериментов. На скорости дрейфа ИН оказывает влияние и геомагнитная обстановка. Так, по данным [19] возмущения магнитного поля АН приводят в первом приближении к квадратичному по АН росту в вертикальной составляющей скорости дрейфа ТС.
Полученные данные о движении ИН вместе с их размерами дают возможность оценивать временную квазипериодику этих структур, поэтому иногда под крупными и суперкрупными неоднородностями понимают структуры с периодикой в несколько часов, а под мелкими дес. сек - неск. мин. О возможной классификации по этим признакам мы поговорим ниже.
Экспериментально доказано, что ионосферные неоднородности распределены по земному шару неравномерно [1-25]. Наибольшая возмущенность наблюдается в районе полярной шапки (60-70 с.ш.) и в экваториальной области (до 25 - 30 с. или ю. ш.). Вблизи полюсов и экватора неоднородности могут возникают в основном за счет неустойчивости ионосферы токовой системы. Кроме того, полярная шапка подвержена еще воздействию потоков заряженных частиц из магнитосферы и полярного ветра. В средних (умеренных) широтах собственные внутри ионосферные источники возмущений отсутствуют, так что неоднородности возникают из-за внешних возмущений как сверху (из магнитосферы), так и снизу (со стороны нижней ионосферы). В связи с этим возмущения в среднеширотной ионосфере в среднем заметно слабее, чем в полярной шапке и вблизи экватора. Распределение возмущений на умеренных широтах также неравномерно. В частности, в районе 50 обнаружен так называемый среднеширотный "провал" в распределении неоднородностей [26].
Характер суточных и сезонных изменений возмущенности ионосферы зависит от геомагнитной широты места. Данные о морфологии ИН показывают, что на умеренных широтах неоднородности (частота их появления и параметры) днем выражены слабее, чем ночью, на высоких широтах возмущение присутствует в течении суток. На умеренных и переходных (к полярным) широтам летом возмущенность летом сильнее, чем зимой, тогда как в полярном овале максимум возмущенности приходится на периоды равноденствия. Степень возмущенности зависит также от солнечной и геомагнитной активности. В частности, с ростом геомагнитной активности границы авроральной зоны смещаются к югу, а вероятность появления неоднородностей в среднеширотной ионосфере возрастает.
Помимо повторяющихся суточных возмущений, встречаются еще и случайные, природа которых изучена меньше. На процесс образования ИН влияет космическая погода — солнечные вспышки, выбросы коронарного вещества, солнечный ветер, магнитные бури. Эти явления сильно влияют на состояние ионосферы и вносят коррективы в работу навигационных систем, в частности в [21, 25] отмечается, что во время магнитных бурь величины погрешностей, вносимых ионосферой на средних широтах в сигналы GPS, почти на порядок превышают погрешности во время магнитоспокойных дней.
Влияние ионосферных неоднородностей на распространение спутниковых сигналов
В дальнейшем в работе будут рассмотрены экспериментальные данные, полученные при использовании сигналов навигационной системы GPS, поэтому необходимо рассмотреть, как проявляется влияния ионосферы как среды распространения сигнала в спутниковом сигнале.
Начнем с регулярных эффектов, поскольку неоднородности дают свой вклад на их фоне. Эти эффекты суть - 1) эффект Фарадея и 2) групповые задержки сигнала в среде, связанные с дисперсионными характеристиками плазмы. Поворот плоскости поляризации навигационного сигнала в магнитоактивной плазме (эффект Фарадея) в столбе ТЕС (полного или интегрального электронного содержания, соответственные аббревиатуры ПЭС или ТЕС - Total Electron Content) от 10 до 100 TECU приводит к повороту фазы принимаемого GPS сигнала на 0,1 ... 1 рад, именно относительно этого поворота производят измерения фазы. Групповые задержки сигналов связаны с текущим значением ТЕС и параметрами тропосферы, т.е. являются мешающим при навигации параметром. С другой стороны, именно они содержат геофизическую информацию о средах распространения и могут быть выделены методами двойной разности из навигационных измерений для дальнейшего анализа свойств ионосферы и тропосферы.
Ясно, что воздействие ИН на навигационный сигнал (или сигнал трансионосфериого зондирования) приводит к радиомерцаниям - сцинтилляциям амплитуды и фазы сигнала. Ионосферные сцинтилляции преимущественно наблюдаются в F области (spread — F неоднородности) на высотах в диапазоне от 200 км до 1000 км в высоких широтах. В экваториальных широтах сцинтилляции преобладающе наблюдаются между 250 км и 400 км. Кроме того, (и неоднородности Е слоя (особенно спорадический Е и авроральный Е) являются источниками радиомерцаний, которые иногда приводят к фазовым возмущениям, значительно большим, чем от неоднородностей F- области [10,14,25,35].
Обычно для характеристики нормированной амплитуды статистики сцинтилляций принимаемого зондирующего сигнала, прошедшего "возмущённую" ионосферу применяют энергетический параметр S4, определяемый как квадратный корень из отношения мощности принимаемого шума к мощности сигнала S4 =. , угловые скобки означают Р 2 усреднение за 1 мин. Для флуктуации фазы вводят отношение Оф -л1\Ф2)-{Ф)2 , где угловые скобки означают усреднение на данном (выбранном) интервале флуктуирующих частот. Применительно к системе GPS и ГЛОНАСС оба параметра оцениваются для каждой из рабочих частот.
Амплитуда фединга в GPS диапазоне частот может составлять до 6 dB или более в течение высокой солнечной активности [25]. Ясно, что моделировать возмущенные условия в настоящее время практически невозможно, поскольку не хватает данных о вариациях основных параметров сред. Наблюдение фазы сцинтилляции на отдельном GPS сигнале затруднено из-за многолучевости сигналов и того, что более сильные амплитудные сцинтилляции присоединяются к фазовым. Экспериментально наблюдалось до 8 радианов (!) флуктуации в фазе сцинтилляций, усредненных по частоте осуществления выборки [10,35]. Самая большая зарегистрированная скорость изменения амплитуды разности фаз при фазовых измерениях в двойной разности L1-L2, составляла 14 радианов за 30 секунд. Это - пример фазового сбоя (ошибка определения координат системой GPS в этом случае не нормирована). Ряд исследователей связывает потерю фазы в указанной комбинации с потерей фазы на частоте L2, в частности из-за того, что на этой частоте излучаемая мощность на 6 dB меньше, чем на частоте L1 [21, 25,35].
По результатам наблюдений за типичными фазовыми сцинтилляциями разности L1-L2, последние происходят на частоте меньше чем 1 Hz [10,11]. Иначе говоря, ионосферные сцинтилляции сигнала несут информацию о самих ИН как результат интерференции. Применение степенного закона для частоты для фазовых сцинтилляций в 10 Hz приводит к оценке пиковых флуктуации, достигающих менее 1 рад для сильно возмущенных условий [21,25,35]. Вероятность фатальных сбоев фазы составляет порядка 2,5% в магнитоактивных условиях и менее 0,1%) в спокойных условиях и зависит от LT [21]. Отметим, что в экваториальной зоне средняя вероятность сбоев даже в магнитоспокойный день может составить порядка 1,5% [21]. Средняя дисперсия флуктуации фазы (усреднение 60 сек) составляет в спокойных условиях не более 0,1 рад, что связано с выбором рабочих частот с учетом турбулентности в диапазоне волновых чисел, сосредоточенных вокруг k 30 m"1 (А, 0.2 м, f 1.5 GHz). При магнитных бурях дисперсия фазы может возрастать почти на порядок. показывает результаты ракетных измерений спектральной мощности сцинтилляций в авроральных широтах по данным [11 а)]. Видно, что указанный спектр имеет пики, соответствующие некоторым выделенным пространственным размерам и в целом плохо интерполируется степенной зависимостью. Наличие выделенных волновых чисел может интерпретироваться как характерные размеры ИН. Примечательно, что эти ИН имеют размеры от десятков до нескольких сотен км, а интенсивность флуктуации электронной концентрации в них уменьшается с ростом размеров.
Итак, сам сигнал, прошедший через ионосферу, несет информацию о процессах в ней и неоднородностях среды в виде фединга, который может быть использован в исследованиях. Однако разделить влияние разных ИН на навигационный радиосигнал является весьма сложной задачей. Во многом удовлетворительные прогнозы поведения параметров сред связаны с прогнозом и описанием поведения регулярных свойств ионосферы в функции внешних условий - гелио- и геомагнитной активности, локального времени, а также определяются конкретным расположением пользователя. Более того, процессы в указанных средах оказываются взаимозависимыми и взаимосвязанными, например, волновыми механизмами [36]. Решению некоторых связанных с настоящим обзором проблем посвящена программа «Космическая Погода» [37 40], работы по которой очень активно ведутся различными странами и систематизация полученного уникального междисциплинарного материала практически только начинается.
Исследование статистического подхода и его характеристик при анализе вейвлет-спектров
После получения результатов преобразования согласно (3.1-3.2), нужно построить карту вейвлет-структуры сигнала в координатах (Ь, а), и выбрать ее некоторое сечение при a=const, т.е. дальше исследовать некоторый скелетон вейвлета-преобразования. Для каждого скелетона определяется количество и координаты локальных максимумов и минимумов. Далее мы вводим три статистики - 1) для расстояний от минимума до_минимума, 2) для расстояний от максимума до максимума и 3) для расстояний от минимума/максимума до максимума/минимума соответственно. Под "статистикой" в данном случае понимается набор соответствующих данных одного типа, определенных по единой методике.
Из получившегося ряда значений выбирается наибольшее - оно дает оценку для периода или полупериода (при одновременном использовании минимумов и максимумов) выделенной гармоники наименьшей частоты. Затем производится фильтрация входной функции (скелетона) для удаления определенного выше периода и процесс обработки повторяется до тех пор, пока не будет выделена минимальная периодика в сигнале.
Все полученные результаты от всех скелетонов полученного вейвлет-спектра обрабатываются по единой, изложенной выше, методике, а затем строятся совместные распределения параметра "детектированный период" от частоты его повторения для всех скелинг-функций. Под величиной минимальной периодики (и соответственно временного разрешения) при таком методе обработки естественно понимать размер ячейки гистограммы, используемой для статистической обработки. Для исследований ионосферных сигналов параметр естественно выбирать из приведенных в п. 2.4 и его величина составляет 3...5 мин. Такой размер шага гистограммы существенно не замедляет процесса анализа исследуемой структуры.
Для отработки методики, создания и тестирования алгоритмов автоматического выделения периодов колебаний, содержащихся в наблюдаемых данных, было разработано специальное тестовое программное обеспечение (ТПО), пример работы которого приведен на рис. 3.1. Пользователь может выбрать тип вейвлета, используемого в дальнейшем анализе. С помощью конструктора сигналов синтезируется исследуемый модельный процесс и строится его дискретное вейвлет-преобразование. В качестве анализирующего нами протестированы wave- и mhat- вейвлеты, описанные выше, исходя из особенностей предстоящих исследований. Разработанное ТПО позволяет: 1) синтезировать изучаемый сигнал в виде набора 3 гармонических колебаний с заданными периодами, амплитудами и временем включения (появления). В сигнал можно добавить два мощных импульсных возмущения с разными по знакам амплитудами и аддитивный некоррелированный шум с определенной пользователем амплитудой; 2) осуществить спектральное разложение изучаемого сигнала. Остановимся на этой части ТПО подробнее, поскольку в пакете CRASS GPS спектральный анализ проводится методом, изложенным далее. Результаты его использования — см., например, рис. 2.5, 2.6 и ниже, в данной Главе 3. При выполнении большого количества спектральных оценок обычно используют быстрое Фурье- преобразование (БПФ) [85-87]. Считается, что БПФ по основанию 2 было предложено в 1965г. авторами Кули и Тьюки [87]. Однако БПФ по основанию 2 - наиболее распространенное в практических приложениях — сильно экономит память ЭВМ, но требует фиксированных и не очень удобных на практике длин исследуемых последовательностей, равных 2N, где N -некоторое целое число. Таким образом, при использовании реальных данных приходится либо урезать длину исследуемой последовательности, либо дополнять нулями или отсчетами из изучаемой последовательности. В первом случае происходит нерациональная потеря части экспериментальной информации, во втором необходимо специально учитывать влияние на точность спектральной оценки введенных в анализируемую последовательность данных [85,86].
Мы в качестве базового для спектрального разложения используем алгоритм БПФ по произвольному основанию - комплекс так называемых алгоритмов Винограда [87, 88]. Суть данного алгоритма связана с применением предварительно рассчитанных матриц Фурье-преобразования для различных оснований, например, таких как 2,3,5,7 и т.д. Таким образом, анализируемая последовательность должна быть разложена на ряд элементарных серий, для каждой из которых алгоритм должен уметь произвести соответствующее БПФ.
Общая характеристика наблюдательных GPS подсетей
Назовем «относительной волновой активностью» или просто «волновой активностью» за некоторый наблюдательный период на определенной наблюдательной сети среднее по сети отношение зарегистрированных интерферометром ионосферных структур, приходящееся на одну ячейку к их максимально выделенному числу на одну ячейку. Введенное так определение не зависит от величины сети (количества измерительных ячеек) и потому является в целом объективной характеристикой, конечно зависящей от геомагнитной обстановки, координат станции и местного времени.
Ясно, что введенная так величина зависит от времени наблюдения. Далее везде в работе используются данные наблюдений 2-4 часа без дополнительных уточнений. В работе используются данные, полученные как при обработке ТЕС, так и при изучении только фазы (вернее, ее производной по времени) L1. Использование L1 несколько более сложно технически (требует дополнительной фильтрации высоких частот), но дает выигрыш в случае сбоя на частоте L2. Данные обоих типов имеют в целом коэффициент корреляции не менее 0.9, в некоторые периоды наблюдений - выше. Поэтому далее при обсуждении для простоты не указывается, какой тип данных использован в анализе.
Рассмотрим влияние на частоту генерации волновых структур различных геомагнитных условий. Далее под этим термином понимаются солнечные вспышки и связанные с ними магнитные бури.
Физический механизм генерации возмущений в ионосфере в этом случае обусловлен солнечно-земными связями и может заключаться в следующем. Известно, что основной вклад в среднегодовые значения геомагнитной активности, особенно в годы спокойного Солнца, вносят бури, связанные с модуляцией скорости и давления солнечного ветра. Геомагнитные бури могут вызываться также вспышками на Солнце и потоками солнечного ветра из корональных дыр [30]. Естественно, что эти явления оказывают влияние на процесс генерации неоднородных структур в ионосфере. Можно ожидать, таким образом, что 1) развитие магнитной бури, в так называемой активной фазе может приводить к росту числа волновых возмущений в ионосфере и 2) спектр таких волновых структур может быть отличен от спектра волновых структур, обычно (как бы в «равновесных условиях») присутствующих в ионосфере. Ясно, что реакция земной ионосферы - в части появления волновых возмущений в среде -связана прежде всего с приходом ударной волны (солнечного ветра), т.е. отражает реакцию на вспышку с некоторым запаздыванием.
Вместе с тем, и сама вспышка — как всплеск рентгеновского излучения — и возмущения магнитного поля Земли могут явиться источниками разных ионосферных возмущений [21, 36, 98-115]. В случае вспышки волновые структуры должны генерироваться пятном ионизации, причем задержка по времени составляет до 10 (точнее, около 8.5) минут со времени вспышки. Если волновая структура, порожденная пятном от дополнительной, неравновесной ионизации от вспышки попадает непосредственно в зону видимости интерферометра, то последний, в принципе, может обнаружить появление дополнительной ионизации [110] по волновым проявлениям в ионосфере [115]. Однако в целом у приведенного выше механизма есть два варианта физической реализации. Так, если излучение вспышки полностью покрывает дневную сторону Земли, то условия на этой стороне являются в целом «почти равновесными», т.е. превышение над средним уровнем ионизации носит глобальный характер и генерация волновых структур как реакции на такие неравновесные условия в среде представляется малоэффективной. Иная ситуация складывается, если пятно дополнительной ионизации от вспышки не полностью засвечивает дневную сторону Земли. В этом случае вероятность генерации ионосферных неоднородностей (и в том числе, волновых структур) должна быть выше. Образно говоря, генерация ионосферных структур эффективно происходит в том случае, когда в область прожекторной зоны рентгеновского излучения от вспышки попадает только часть видимого диска Земли, т.е. на дневной стороне Земли есть граница раздела между «засвеченной» и «теневой» зонами.
Приведенные выше рассуждения показывают прежде всего, что интерпретация наблюдаемых волновых структур в различных геофизических условиях нуждается в большом объеме разнородной геофизической информации, в первую очередь - информации о вспышке и о том, как рентгеновское излучение и выброс коронарного вещества распространялись до Земли.
Рассмотрим некоторые примеры, полученные в работе и поясняющие сказанное [114-116]. На рис.4.4 а) приведена временная зависимость числа детектируемых волновых структур (волновой активности) на всех ячейках наблюдательной подсети (Венеция) с временной дискретизацией 4ч в течение 11- 27 июля 2005г. Виден квазирегулярный дневной ход изучаемого параметра (в пересчете на одну ячейку) и его резкий всплеск во время вспышки на Солнце около 11ч 14.07 (показана схематически, не в масштабе основного графика). Примечательно, что распололсенные на ночной стороне в момент вспышки подсети Калифорнии и Детройта всплеска волновой активности 14.07 не выделяют вообще (рис. 4.3, б). Отметим, что данное событие уникально - в указанный период геомагнитная обстановка была спокойной - в период 14-17 июля Dst 40, что значительно упрощает идентификацию отклика на вспышку и делает ее однозначной. Через -3,5 дня основная масса солнечного коронарного выброса (в виде порывов солнечного ветра) подошла к Земле и зарегистрированная волновая активность увеличилась в 1.6-1.8 раза по сравнению с ее средними значениями, что фиксируется всеми сетями. Аналогичная ситуация (кроме всплеска активности, непосредственно связанного со вспышкой) имела место для более мощной, почти в 20 раз (в регистрируемых ИСЗ GOES рентгеновских диапазонах XL и XS, 1..8А0 и 0.5 ..4А соответственно), группы вспышек (12-13).09.2005.
Полученные данные дают возможность получить грубую оценку скоростей распространения солнечного ветра по времени запаздывания всплеска волновой активности. По представленным данным получаем величины средней скорости порядка 400 - 700 км/с, что совпадает с диапазоном скоростей, приведенным в [20, 21, 105-113]. Анализ данных спутника SOHO [118] скорости солнечного ветра непосредственно для рассмотренного события 14.07.2005 г. дает величину измеренной средней скорости 518.9+6.3 км/с, наша оценка этой скорости по времени возникновения волновых возмущений составляет 506±12 км/с, т.е. полученные нами результаты в целом хорошо согласуются с измеренными прямыми методиками данными.
