Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Использование высокоорбитальных навигационных систем для исследования атмосферы и ионосферы . 15
1.1 Высокоорбитальные спутниковые навигационные системы GPS/TJIOHACC15
1.2 Двухмерная томография ионосферы с использованием спутниковых навигационных систем 22
1.3 Построение глобальных ионосферных карт ТЕС по данным высокоорбитальных навигационных систем 24
1.4 Радиозатменный метод исследования атмосферы 28
1.5 Совместное использование радиотомографического и радиозатменного метода исследования атмосферы Земли 35
1.6 Неоднородности глобального распределения электронной концентрации в ионосфере Земли. Ионосфера во время гелио-геофизических возмущений 36
Глава 2. Моделирование восстановления глобальных распределений электронной концентрации в ионосфере по данным наземного приема сигналов высокоорбитальных GNSS 46
2.1 Постановка задачи 46
2.2 Модельное распределение электронной концентрации 48
2.3 Прямая задача моделирования восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере по данным высокоорбитальных навигационных систем 51
2.4 Обратная задача восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере по данным высокоорбитальных навигационных систем 52
2.5 Построение проекционного оператора 54
2.6 Алгоритмы решения СЛАУ задачи восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере по данным высокоорбитальных навигационных систем 55
2.7 Результаты моделирования 58
Глава 3. Оценка параметров ионосферы по данным наземного приема сигналов высокоорбитальных навигационных систем 68
3.1 Восстановление глобальных распределений ТЕС в ионосфере 68
3.2 Оценка критической частоты слоя F2, сравнение с данными ионозондов 69
3.3 Сопоставление с данными глобальных ионосферных карт 72
3.4 Сопоставление с результатами 2D томографии 72
3.5 Восстановление параметров экваториальной аномалии 74
3.6 Пример восстановления главного ионосферного провала 75
Глава 4. Исследование ионосферных эффектов солнечных вспышек по данным наземного приема сигналов высокоорбитальных навигационных систем 77
4.1 Ионосферные эффекты солнечных вспышек по данным системы GPS 78
4.2 Оценка ионизирующего излучения Солнца во время вспышки по данным системы GPS 82
4.3 Исследование параметров глобального распределения электронной концентрации в ионосфере во время солнечной вспышки по данным системы GPS 85
Глава 5. Восстановления параметров атмосферы по данным спутникового приема сигналов высокоорбитальных GNSS 89
5.1 Связь показателя преломления с параметрами атмосферы и ионосферы 89
5.2 Методы восстановления метеопараметров по данным рефрактометрии 90
5.3 Модель НЖНАМ4 93
5.4 Результаты моделирования возможности восстановления метеопараметров из профиля показателя преломления, полученного радиозатменным методом 94
5.5 Восстановление метеопараметров по данным реальных радозатменных экспериментов 100
Заключение 105
Список литературы 107
- Двухмерная томография ионосферы с использованием спутниковых навигационных систем
- Прямая задача моделирования восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере по данным высокоорбитальных навигационных систем
- Оценка критической частоты слоя F2, сравнение с данными ионозондов
- Оценка ионизирующего излучения Солнца во время вспышки по данным системы GPS
Введение к работе
Актуальность проблемы. В связи с использованием спутниковых навигационных систем во все большем числе прикладных приложений, задача изучения ионизированных слоев Земли (среды распространения спутниковых навигационных радиосигналов) в период сильных гелиогеофизических возмущений, приобретает все большее практическое значение Известно, что во время сильных гелиогеофизических возмущений ионосфера отличается чрезвычайно сложной структурой и высокой динамикой. Каждое такое возмущение обладает как рядом общих с другими свойств, так и своим уникальным набором специфических проявлений, поэтому исследованию особенностей структуры распределения электронной плотности ионосферной плазмы, вызванных воздействием солнечных вспышек на ионосферу Земли уделяется особое внимание.
Существующие навигационные спутниковые системы второго поколения GPS/ГЛОНАСС и широкая сеть приемников их сигналов на Земле позволяют получать данные о пространственной и временной зависимости поля электронной концентрации в ионосфере и о его интегральной характеристике - поле вертикального полного электронного содержания ТЕС. Уже сейчас сигналы достаточно большого количества спутников GPS и ГЛОНАСС доступны непрерывно в любой точке Земли, а с развертыванием системы Galileo это число еще увеличится. Информация с сети приемных станций, принимающих сигналы GPS/ГЛОНАСС, предоставляется в специальном формате и доступна в свободном доступе в сети Интернет. Плотность существующей сети станций достаточно велика и позволяет осуществлять глобальный мониторинг ионосферы Земли. Системы GPS/ГЛОНАСС также дают возможность получать дополнительную информацию о состоянии атмосферы, по данным спутникового приема их навигационных сигналов. Такие методики активно развиваются в настоящее время. Одним из методов, основанных на спутниковом приеме сигналов этих систем, является радиозатменный или рефрактометрический метод, позволяющий получать данные о параметрах атмосферы в труднодоступных областях, в которых отсутствуют традиционные измерения. Получаемые при этом данные могут быть использованы для корректировки входных данных существующих региональных моделей атмосферы.
Цели работы. Моделирование восстановления глобальных распределений электронной концентрации в ионосфере по данным высокоорбитальных спутниковых навигационных систем, восстановления глобальных распределений электронной концентрации в ионосфере по реальным данным высокоорбитальных спутниковых навигационных систем а также изучению ионосферных эффектов солнечных вспышек по данным этих навигационных систем. Целью работы также является разработка и тестирование методов восстановления профилей метеопараметров из профилей показателя преломления, полученных рефрактометрическими методами.
Новизна результатов.
Впервые создан комплекс программ для решения прямой задачи моделирования
восстановления глобальных пространственно-временных распределений
электронной концентрации в ионосфере по данным высокоорбитальных
навигационных систем для реальной геометрии спутников и приемников для
выбранного дня и заданного модельного распределения электронной
концентрации.
Предложен метод восстановления глобальной структуры поля электронной
концентрации в ионосфере по фазовым данным высокоорбитальных
навигационных систем в приближении модели толстого слоя.
Проанализированы возможности восстановления параметров глобальных
неоднородностей распределения электронной концентрации (экваториальной
аномалии, главного ионосферного провала, суточного и широтного градиентов) в
ионосфере, а также параметров ионосферы во время солнечных вспышек
предложенным методом.
Предложен и реализован метод оценки интенсивности ионизирующего
солнечного излучения во время вспышки по данным о скорости изменения ТЕС,
полученным с помощью наземного приема сигналов высокоорбитальных
навигационных систем.
Предложен алгоритм использования данных об интегральном содержании
водяного пара в столбе атмосферы в качестве априорной информации при
восстановлении параметров атмосферы по данным о профилях показателя
преломления, полученных в радиозатменных экспериментах.
Научная и практическая ценность работы.
Использование программного комплекса для решения прямой задачи моделирования восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере, разработанного в данной работе , позволит тестировать различные методы мониторинга ионосферы по данных фазовых измерений высокоорбитальных навигационных систем. Предложенный метод получения параметров распределения электронной концентрации позволит проводить непрерывное исследование и глобальный мониторинг ионосферы, расширение сети приемных станций приведет к увеличению точности получаемой информации. Предложенный метод получения информации об ионизирующем излучении Солнца во время вспышки по фазовым данным навигационных систем может давать дополнительную независимую информацию для изучения солнечных вспышек. Предложенный алгоритм использования априорной информации об интегральном содержании водяного пара при восстановлении метеопараметров из профиля показателя преломления расширяет спектр и возможности подобного рода алгоритмов.
Апробация работы и публикации.
Результаты работы докладывались на российских и международных конференциях: 2nd CHAMP Science meeting. Sep 1-4 2003. GFZ Potsdam, Special Symposium of the URSI Joint Working Group FG (Италия, Матера, 2003 г.), «Физические проблемы экологии» (Москва 2004 г.), Научная сессия, посвященная Дню радио (Москва 2005 г.), Научная конференция «Ломоносовские чтения» (Москва 2005 г.), XXI Всероссийская конференция по распространению радиоволн (Йошкар-Ола 2005 г.), X и XI Всероссийские школы-семинары «Волновые явления в неоднородных средах» (Звенигород 2006, 2007 гг.), XIII International symposium Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics (Томск 2006 г.), Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва 2007), Байкальская школа молодых ученых (Иркутск 2007), Asia Oceania Geophysical Society Meeting (Bangkok 2007), International Heliophysical Year 2007: New Insights in Solar-Terrestrial Physics (Zvenigorod 2007) По теме диссертации опубликовано 15 работ в отечественных и зарубежных изданиях.
Основные результаты и защищаемые положения:
1. Предложено модельное распределение электронной концентрации в ионосфере
для тестирования методов оценки параметров ионосферы по данным наземного
приема сигналов высокоорбитальных навигационных систем.
Создано программное обеспечение, позволяющее решать прямую задачу моделирования восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере для реальной геометрии спутников и приемников и предложенного модельного распределения.
Предложен и реализован программно метод восстановления глобальных распределений вертикального ТЕС в ионосфере по фазоразностным данным системы GPS. На предложенном модельном распределении показана возможность восстановления разработанным методом параметров глобальных неоднородностей распределения (экваториальной аномалии, главного ионосферного провала), параметров локальных неоднородностей, внезапного увеличения ТЕС во время солнечных вспышек.
4. Проведены реконструкции параметров глобального распределения электронной
концентрации в ионосфере по реальным данным наземного приема сигналов GPS
в различные временные периоды.
5. Предложен и реализован метод оценки интенсивности ионизирующего
солнечного излучения во время вспышки по данным о скорости изменения ТЕС,
полученным с помощью наземного приема сигналов высокоорбитальных
навигационных систем. Проведены оценки для вспышек 28.10.2003 (Х17) и
04.11.2003 (Х28).
6. Реализован предложенный алгоритм использования данных об интегральном
содержании водяного пара в столбе атмосферы в качестве априорной информации
при восстановлении параметров атмосферы по данным о профилях показателя
преломления, полученных в радиозатменных экспериментах.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 113 страниц текста, 57 рисунков.
Краткое содержание работы.
Во введении обоснована актуальность, новизна, научная и практическая ценность решаемой задачи, сформулированы основные результаты и защищаемые положения, кратко изложено содержание диссертации.
Первая глава диссертации посвящена использованию высокоорбитальных
навигационных систем для исследования атмосферы и ионосферы Земли.
В первом параграфе описаны высокоорбитальные навигационные системы
второго поколения GPS и ГЛОНАСС. Приведены данные об орбитальных
группировках систем, характеристиках сигналов и навигационных сообщений.
Приведены уравнения наблюдений и основные линейные комбинации
наблюдаемых величин, позволяющие компенсировать или выделить вклад той
или иной высотной области атмосферы в наблюдаемые величины.
Второй параграф посвящен описанию методов двухмерной томографии
ионосферы на основе низко- и высокоорбитальных спутниковых систем и сети
наземных приемников. Приведена постановка задачи фазоразностной томографии
ионосферы
В третьем параграфе описывается технология построении глобальных
ионосферных карт полного электронного содержания по данным наземного
приема сигналов GPS. Эти карты, предоставляемые несколькими научными
группами, имеют разрешение (5long, 2.5 lot, 2 часа), что зачастую оказывается не
достаточным для исследования быстрых процессов перестройки ионосферы
Четвертый параграф посвящен описанию радиозатменного метода исследования
атмосферы, основанного на восстановлении профиля показателя преломления
атмосферы из зависимости индекса рефракции от прицельного параметра,
полученной при наблюдении радиовосхода или радиозахода спутника системы
GPS с низкоорбитального спутника LEO в предположении квазисферической
симметрии атмосферы.
В пятом параграфе описана возможность совместного использования
радиозатменного и радиотомографического методов для улучшения
пространственного разрешения получаемых реконструкций.
В шестом параграфе даются общие сведения об ионосфере Земли. Приводятся
характерные высотные профили электронной концентрации в ионосфере для
различных сезонов и широт. Описаны причины и механизмы формирования таких крупных неоднородностей распределения электронной концентрации как экваториальная аномалия и главный ионосферный провал. Кратко описаны процессы протекающие в ионосфере в периоды солнечных вспышек.
Во второй главе диссертации описывается моделирование восстановления глобального распределения электронной концентрации в ионосфере по данным наземного приема сигналов высокоорбитальных навигационных систем GPS/ГЛОНАСС.
В первом параграфе ставится задача восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере по данным высоко орбитальных навигационных систем. Приводятся формулы, позволяющие получать информацию об ионосфере из GPS-данных.
Во втором параграфе строится модельное распределение электронной концентрации в ионосфере, качественно отображающее такие особенности исследуемого поля, как широтный и суточный градиент распределения электронной концентрации, экваториальная аномалия, ориентация гребней экваториальной аномалии вдоль магнитного экватора, главный ионосферный провал, а также локальные неоднородности распределения электронной концентрации. Модель строится в приближении толстого слоя, то есть все временные зависимости и пространственные неоднородности задаются распределением электронной концентрации на высоте максимума слоя. В третьем параграфе формулируется прямая задача моделирования восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере по данным GNSS, в которой для реальной геометрии спутников GPS и приемников IGS для заданного дня вычисляются интегралы от модельного распределения, описанного во втором параграфе, по всем лучам «спутник GPS - приемник IGS», для которых в этот день имеются экспериментальные данные. Приводится решение прямой задачи для 30 октября 2003 года.
В четвертом параграфе формулируется обратная задача моделирования. По значениям интегралов по набору лучей необходимо восстановить модельное распределение электронной концентрации. Задача переформулируется для использования разностей интегралов по соседним лучам для восстановления искомого распределения электронной концентрации.
В пятом параграфе строятся линейные проекционные операторы для заданной
конфигурации спутников и приемников. Используется сферическая система
координат (long,lat,h). Для дискретизации задачи используется разложение
восстанавливаемого поля в приближении толстого слоя
Ne {long, lat, h,t) = Ne (long, lat, t) profile(h) . Для представления
Ne (long, lat, t) используется локальная интерполяция полиномами Лагранжа
первой степени по t и первой или второй степени по long и lat на равномерной сетке. После чего задача переписывается в виде системы линейных уравнений, для нахождения элементов матрицы которой требуется вычислять интегралы от слагаемых интерполяционного полинома Лагранжа вдоль лучей спутник-приемник. Приводится построение проекционного оператора в случае использования локальной интерполяции полиномами Лагранжа первой степени по long, lat, t.
В шестом параграфе приведены алгоритмы решения полученной после дискретизации задачи системы линейных алгебраических уравнений. При' типичном размере ячейки дискретизации (1 градус по долготе, 1 градус по широте, 1 час по времени) и типичном числе лучей для всех пар спутник-приемник за 1 день, используемых при восстановлении, порядка 200 000, матрица задачи содержит порядка 10й элементов, но является при этом достаточно разреженной. В данном случае имеет смысл использовать итерационные, а не прямые, методы решения системы линейных уравнений. Приводятся формулы итерационных методов ART и SIRT. Другой особенностью задачи является ее недоопределенность. Существуют конечные пространственно-временные элементы разбиения исследуемой области, которые не пересекает ни один луч спутник-приемник. В параграфе предложено межитерационное сглаживания решения, основанное на методе неопределенных множителей Лагранжа, для получения гладкого решения недоопределенной задачи, минимизирующего некоторую Соболевскую норму, заданную матрицей L: min(ZJt,ZJt,).
Ах=у
Седьмой параграф посвящен описанию результатов моделирования. Для дня 30 октября 2003 года решена прямая и обратная задачи. Использовалась реальная геометрия спутников и приемников для этого дня, а также такие лучи спутник-приемник, для которых в реальных экспериментальных данных не было сбоев. Только такое моделирование способно дать информацию о применимости
алгоритма в данном конкретном случае. Показано, что предлагаемый метод, позволяет восстанавливать в областях с достаточным числом приемников такие параметры распределения электронной концентрации, как максимальные значения, размер и ориентацию гребней экваториальной аномалии, положение и величину ионосферного провала, параметры локальных неоднородностей. Проведено моделирование возможности восстановления внезапного увеличения электронной концентрации в ионосфере в момент солнечной вспышки предложенным методом. Показано, что предложенный метод позволяет восстанавливать увеличение среднего по всей Земле значения N на высоте максимума слоя, а следовательно и увеличение значения среднего ТЕС в момент вспышки.
Третья глава диссертации посвящена применению, описанного во второй главе
метода к восстановлению распределения вертикального ТЕС в ионосфере по
реальным данным наземного приема сигналов системы GPS.
В первом параграфе приведены глобальные распределения ТЕС во время
сильнейших гелиогеофизических возмущений 30 октября 2003 года, когда
максимальные значения ТЕС достигали 220 TECU. На реконструкциях также
видно пятно ионизации над Европой в ночное время со значениями порядка 40
TECU, такие значения характерны для дневной ионосферы.
Во втором параграфе проведена оценка критической частоты слоя F2 для тогоже
дня 30 октября 2003г и ее сравнение с данными ионозондов, которое показало
хорошее совпадение временного хода и значений foF2 по данным ионозондов с
результатами реконструкции по данным GPS. Разница в значениях foF2 по
данным ионозондов и по данным GPS вызвана различием между реальной
высотой слоя F2 в ионосфере и значением высоты максимума слоя используемой
в алгоритме восстановления.
Третий параграф посвящен сравнению результатов реконструкций вертикального
ТЕС с данными глобальных ионосферных карт. Показано качественное
совпадение структуры и величин восстанавливаемых полей.
В четвертом параграфе представлено сравнение распределений вертикального
ТЕС полученного по данным GPS и ТЕС полученного методом двумерной
низкоорбитальной радиотомографии вдоль цепочки на Аляске (-145long) для 30
октября 2003 г. Наблюдались как случаи хорошего совпадения широтных
зависимостей и даже значений ТЕС вдоль цепочки приемников по данным низкоорбитальной томографии и по высокоорбитальным данным, так и случаи значительного расхождения ТЕС полученного этими двумя методами. Расхождение в данных может объясняться тем, что в возмущенный период, каким и является 30 октября 2003 г., практически мгновенное распределение ТЕС по данным низкоорбитальной томографии, в связи с быстрыми процессами перестроения ионосферы, не будет совпадать с усредненным по достаточно большому временному интервалу (1 час) распределению ТЕС, построенному по высокоорбитальным данным.
В четвертом параграфе приведены примеры восстановления параметров экваториальной аномалии над Юго-Восточной Азией для 22 октября 2003 г. и проведено сравнение с данными альтиметра спутника ТОРЕХ, показавшее хорошее совпадение восстановленного ТЕС.
В пятом параграфе приведен пример восстановления параметров главного ионосферного провала над Европой для 22 июля 2004 г. для 20UT Отчетливо восстанавливается стенка провала, падение вертикального ТЕС более чем в два раза (с 11 TECU до 6 TECU). Ширина провала по данным реконструкции составляет 15. Отметим, наличие станций IGS в Европе на широтах выше широты провала, что необходимо для восстановления параметров провала. Таким образом, предложенный метод позволяет восстанавливать структуру крупных неоднородностей ионосферы, таких как экваториальная аномалия, главный ионосферный провал, пятна ионизации и.т.д. Сопоставление результатов восстановления с независимыми измерениями ионозондов, низкоорбитальной томографии и глобальными ионосферными картами показало неплохую эффективность применяемого подхода.
В четвертой главе диссертации проведено исследование внезапного увеличения полного электронного содержания (SITEC) в ионосфере во время ряда интенсивных солнечных вспышек по данным наземного приема сигналов системы GPS.
В первом параграфе приведены временные зависимости TEC(t) и (г) во
время вспышки для различных пар приемник-спутник GPS для вспышек: Х17 -
28.10.2003, Х28 - 04.11.2003, Х6 - 14.07.2000, Х20 - 02.04.2001, Х4.2 - 17.01.2005.
Для всех проанализированных вспышек наблюдалось совпадение временного
дТЕС ,.
хода (t) для различных пар спутник-приемник, что позволило предложить
критерий детектирования солнечных вспышек по данным системы GPS.
Во втором параграфе предложен новый параметр - эффективная ионизирующая
интенсивность солнечного излучения во время вспышки и методы ее определения
по данным GNSS. Предложен алгоритм оценки интенсивности солнечного
излучения вне диапазона (1-8)А по данным о скорости изменения ТЕС со станций
сети IGS и об интенсивности солнечного рентгеновского излучения в диапазоне
(1-8)А со спутников серии GOES. Приведена оценка этой интенсивности для
вспышек 28.10.2003 и 04.11.2003.
Третий параграф посвящен исследованию параметров глобального
распределения электронной концентрации в ионосфере в момент вспышки. Была
исследована зависимость изменения ТЕС в ионосфере в момент вспышки от
положения точки наблюдения, показана связь величины SITEC с зенитным углом
Солнца точки наблюдения. Проведена реконструкция глобального распределения
электронной концентрации во время вспышки по данным GPS, методом,
описанным во второй главе, с шагом по времени 20 мин для вспышек 28.10.2003 и
04.11.2003. По данным реконструкции определялась вариация среднего по всему
земному шару значения ТЕС во время вспьшіки. Показано что среднее значение
ТЕС, полученное этим методом, в момент вспышки возрастает, в то время как
посчитанное для сравнения среднее значение ТЕС по данным глобальных
ионосферных карт IGS не обладает достаточным временным разрешением, чтобы
описать быстрые процессы, происходящие в ионосфере во время солнечной
вспышки.
Пятая глава диссертации посвящена возможности использования данных спутникового приема сигналов GNSS GPS/ГЛОНАСС для оценки параметров атмосферы Земли. Одним из методов использующих спутниковый прием сигналов высокоорбитальных навигационных систем является радиозатменный или рефрактометрический метод. Он позволяет в приближении локальной сферической симметрии атмосферы получить информацию о высотном профиле показателя преломления, который в свою очередь содержит информацию об основных метеорологических полях.
В первом параграфе приведена зависимость показателя преломления от основных параметров атмосферы, таких как давление, температура, влажность, электронная
концентрация в ионосфере. Описано на каких высотах соответствующие параметры вносят максимальный вклад в показатель преломления. Указано на возможность выделения вклада отдельных областей атмосферы в показатель преломления с использованием двух частот системы GPS.
Во втором параграфе приведена система уравнений для восстановления профилей плотности, температуры, давления и влажности из профиля показателя преломления, состоящая из уравнения гидростатики, уравнения состояния и уравнения для показателя преломления. Данная система является незамкнутой и для замыкания требует дополнительной, априорной информации о состоянии атмосферы. Рассмотрены различные подходы замыкания этой системы, а именно: приближение «сухой» атмосферы, применимое в областях, где влиянием водяного пара можно пренебречь (например в Арктике); использование в качестве априорной информации профиля или приземного значения температуры. Предложен метод использования независимо измеренного полного содержания водяного пара в столбе атмосферы, как априорной информации для восстановления метеопараметров.
В третьем параграфе дается краткое описание модели НШНАМ4, на основе которой строились модельные профили показателя преломления. Четвертый параграф посвящен моделированию восстановления профилей метеопараметров из профилей показателя преломления, полученных при трассировке модели HIRHAM4 Арктического региона. Была оценена возможная точность каждого из описанных в параграфе третьем алгоритмов. Полученные результаты показывают, что в ряде случаев источником ошибок может служить поле влажности, не учет которого приводит к относительным ошибкам порядка 10% для приземных значений температуры и порядка 5% для приземных значений давления. Наличие априорной информации о поле температуры позволяет уменьшить максимальные относительные ошибки восстановления давления до 1%, а также восстанавливать поле влажности с точностью порядка 10% для приземных значений. Использование априорной информации об интегральном содержании водяного пара приводит к ошибкам восстановления, сравнимым с ошибками, получаемыми при восстановлении профилей влажности и давления при наличии априорной информации о профиле температуры, причем восстановление профиля температуры происходит тем лучше, чем ближе поведение реального профиля температуры к линейному. Полученные результаты
могут быть использованы для прогноза возможных ошибок в реальных экспериментальных данных и для создания процедур коррекции этих данных, причем прогноз вероятных ошибок будет тем точнее, чем точнее модель ЕШНАМ описывает состояние атмосферы.
Пятый параграф посвящен восстановлению профилей метеопараметров из профилей показателя преломления, полученных в реальных радиозатменных экспериментах на спутнике CHAMP (GFZ-Potsdam). Было обработано несколько сотен профилей показателя преломления. Восстановленные профили метеопараметров хорошо согласуются с данными, представляемыми GFZ-Potsdam, но не смотря на это, исходя из результатов моделирования можно сделать вывод, что полученные профили метеопараметров могут нести в себе относительные ошибки порядка 3% для температуры и 1% для давления, что для приземных значений может составлять 3-4К и 10 мбар соответственно. Таким образом использовать профили метеопараметров, полученных в радиозатменных экспериментах следует с большой осторожностью. Разумным представляется использовать эти сильно усредненные, в силу предположения о локальной сферической симметрии атмосферы, профили в качестве начального приближения для других методов восстановления.
Двухмерная томография ионосферы с использованием спутниковых навигационных систем
Впервые вариант радиотомографии ионосферы с использованием ИСЗ, где предлагалось реконструировать распределение электронной концентрации по полному электронному содержанию на серии лучей, был предложен Остином в 1988 г. В дальнейшем методы радиотомографии ионосферы по полному электронному содержанию развивались многими авторами. В первых работах [20,21 ] была изложена общая идея томографической реконструкции распределения электронной концентрации по измерениям линейных интегралов, пропорциональных абсолютной фазе радиосигнала на приведенной частоте. Основной вопрос состоял в том, как эту абсолютную фазу определить, поскольку в экспериментах измеряются только относительные фазы, т.е. при определении абсолютной фазы пропорциональной полному электронному содержанию, встает проблема определения «начальной фазы», в которой можно допустить существенную ошибку на константу, что приведет к противоречивости томографических данных и плохому качеству реконструкций [9,10,11,22]. В связи с этим был предложен фазоразностный подход [9,10,11,23,24], основанный на использовании разности линейных интегралов на близких лучах.
Первые экспериментальные результаты по двумерной томографии ионосферы с использованием низкоорбитальных ИСЗ были представлены Андреевой и др. [25]. В дальнейшем результаты двумерной низкоорбитальной томографии ионосферы неоднократно сравнивались с данными ионозондов [22, 26, 27] и радаров некогерентного рассеяния [26; 28]. В большинстве случаев результаты сравнения показали хорошее совпадение в пределах точностей методов. Метод низкоорбитальной радиотомографии широко применяется для исследования широтных неоднородностей ионосферы. Так в [25] приведены реконструкции провала ионизации. В [30-32] описаны исследования экваториальной аномалии методом радиотомографии. Экспериментально получена ориентация гребней аномалии вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Последовательные реконструкции также позволяют оценить динамику распределения электронной концентрации и потоки плазмы [33].
С развитием сети приемных станций и спутникового сегмента высокоорбитальных навигационных систем GPS/ГЛОНАСС появилась возможность использовать сигналы этих систем для томографии ионосферы. Так, например, в работе [34] предлагается использовать сигналы GPS для получения усредненных за 3 часа (в отличии от практически мгновенных, при использовании низкоорбитальных спутников) высотно-широтных распределений электронной концентрации в ионосфере над Австралией. Сравнение с данными ионозондов, данными ТОРЕХ, и моделью ЖІ-2001 показало хорошее совпадение усредненных высотно-широтных распределений электронной концентрации в ионосфере. Бурно развивающаяся сеть наземных приемников GPS/ГЛОНАСС вместе с растущим числом спутников в обеих системах дает возможность получать не только двумерные высотно-широтные, но и глобальные распределения электронной концентрации в ионосфере, что представляется более актуальным.
Построение глобальных карт ТЕС представляет собой одно из крупных направлений в применении GPS для зондирования околоземного космического пространства и обеспечения эффективности функционирования спутниковых радиотехнических систем [21]. Технология GIM (Global Ionospheric Maps) дала исследователям новое мощное средство изучения глобальной структуры ионосферы и крупномасштабных ионосферных процессов.
Технология GIM, разработанная в нескольких исследовательских центрах [35], обеспечивает построение глобальных карт абсолютного вертикального значения ТЕС путем интерполяции данных, получаемых на мировой сети приемников GPS. Чтобы сопоставить ТЕС конкретной точке пространства, методика GIM рассматривает ионосферу как сферический слой нулевой толщины, расположенный на фиксированной высоте hmax- При этом считается, что ТЕС, измеренное вдоль луча «приемник - спутник», формируется в ионосферной точке Р. Для построения карт используются абсолютные значения ТЕС, которые получаются путем комбинирования кодовых и фазовых измерений, проводимых GPS-приемником. Расчет ТЕС по фазовым измерениям на двух частотах обеспечивает высокую точность регистрации вариаций ТЕС, однако абсолютное значение ТЕС при этом остается неизвестным. Расчет ТЕС по кодовым измерениям на двух частотах дает возможность определять абсолютную величину ТЕС, но в этом случае очень высок уровень шума в данных[22]. В технологии GIM для определения абсолютного ТЕС к значениям ТЕС, рассчитанным по фазовым измерениям на двух частотах, прибавляется некоторая величина В («начальный уровень»), рассчитанная с помощью кодовых измерений на двух частотах. Величина В определяется на каждом луче «приемник-спутник» и для каждого временного интервала, в течение которого данные приемника GPS не содержат срыва фазы [35].
Пространственная интерполяция индивидуальных измерений абсолютного ТЕС выполняется с использованием специальной опорной сетки, ячейки которой имеют треугольную форму[21,35]. Сферический ионосферный слой разбивается на М равносторонних сферических треугольников. Наиболее часто используется сетка, состоящая из 1280 треугольников, которым соответствуют 642 вершины. С целью повышения точности интерполяции, координаты вершин опорной сетки определяются в геоцентрической системе координат, привязанной к локальному времени и геомагнитному полюсу (солнечно-магнитная геоцентрическая система координат - СМГСК).
Однако в настоящее время получены коэффициенты, дающие лучшие результаты при сравнении рассчитанных значений с независимыми измерениями вертикального ТЕС [21,35]. Такие коэффициенты определяются с учетом высотного профиля электронной концентрации, но не имеют аналитического выражения.
Набор уравнений (10), записанных для всех имеющихся ионосферных точек, дает систему уравнений, из которой с помощью метода наименьших квадратов с использованием алгоритма калмановской фильтрации определяются значения абсолютного вертикального ТЕС в узлах опорной сетки. Одновременно оцениваются погрешности измерений br, bs, вносимые приемником и передатчиком[35].
Глобальное распределение ТЕС изменяется со временем, поэтому определенные в узлах значения ТЕС периодически пересчитываются (с шагом по времени AT). Каждое обновление карты GIM представляет глобальное распределение ТЕС, усредненное по времени за интервал AT. Набор последовательных карт ТЕС, полученных таким образом, позволяет провести анимацию и проследить эволюцию глобальной структуры ионосферы.
Следует отметить, что карты строятся в «солнечно фиксированной» ГСК (СФГСК), которую называют также «системой местного времени». Координатами в СФГСК являются географическая широта и местное время. СФГСК отличается от солнечно-магнитной системы координат, используемой при интерполяции, однако она более подходит, когда требуется соотнести структуру распределения ТЕС с положением континентов.
Прямая задача моделирования восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере по данным высокоорбитальных навигационных систем
Прямая задача моделирования восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере по данным GNSS заключается в вычислении наклонных ТЕС для модельного распределения электронной концентрации. ТЕС? (I) = \Nmai (long, lat, h, i)dl (2.4) Набор лучей спутник-приемник I при этом должен быть взят из реального положения приемников сети IGS и спутников GPS. В реальных спутниковых данных возможны периоды сбоев, а также скачки в данных L1 и L2. Лучи спутник-приемник соответствующие этим периодам должны быть исключены из моделирования.
Прямая задача была решена на примере приведенного в предыдущем параграфе модельного распределения и реальной геометрии спутников GPS и приемников сети IGS для 30 октября 2003 года. В данный день доступны данные с 997 приемников сеги IGS для 30 спутников GPS. При использовании шага по времени 10 мин. были получены значения наклонного ТЕС для 438 811 лучей спутник-приемник. На рис. 2.5 справа приведен пример рассчитанного по модельному распределению электронной концентрации наклонного ТЕС для одной пары спутник-приемник за время 16-20 UT. Слева показана геометрия задачи. Красной звездой показана станция сети IGS. Оранжевая линия показывает траекторию спутника GPS, синяя - траекторию надионосферной точки. В условных цветах показано модельное распределение электронной концентрации для 18 UT. model TEC for 18 UTCTECU
Обратная задача восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере по данным GNSS заключается в определении пространственно-временного распределения электронной концентрации в ионосфере по набору интегралов по лучам от этого распределения. Таким образом, задача представляет собой систему интегральных уравнений для определения неизвестного поля TEC, +constm = JNe(r,l)dl, і = lJV.m = 1..M , (2.5) где /( - і-й луч из набора лучей спутник-приемник, constт - неизвестная неопределенность в ТЕС для ш-ого интервала непрерывности данных соответствующего лучу .
Поскольку число приемников не может быть слишком большим и диапазон углов места спутников ограничен, нецелесообразно рассматривать методы аналитического обращения таких линейных интегралов и методы интегральных преобразований. В данном случае имеет смысл с самого начала решать задачу в дискретной форме и применять алгебраические алгоритмы реконструкции. Если переписать уравнение (2.5) в операторном виде и добавить типичный экспериментальный шум д: PN=TEC + C + g, (2.6) где Р - проекционный оператор, переводящий пространственно-временное распределение N в одномерные проекции ТЕС, С - неопределенность в определении ТЕС. Проведем дискретизацию проекционного оператора Р, заменив его дискретным оператором. Тогда уравнение (2.6) примет вид: LN=TEC + C + g+E (2.7) где Е- ошибка аппроксимации, коррелированная ошибка, зависящая от самого решения. При этом оператор L определяется выбором аппроксимации или представления искомой функции N. Однако в реальном эксперименте ошибка аппроксимации неизвестна, и мы фактически решаем другое уравнение: LN=TEC + C + g, (2.8) неэквивалентное уравнению (2.7) и все ошибки и искажения, связанные с ошибкой аппроксимации Е, будут проявляться в решении. Чем точнее оператор L приближает оператор Р, тем меньше ошибки аппроксимации Е, однако никакие методы решения (2.8) не позволяют выделить особенности реконструкции N, вклад которых в данные ТЕС меньше ошибки аппроксимации Е. Для решения задачи (2.8) необходимо знать неопределенность определения ТЕС по фазовым данным С. Погрешности в ее оценке могут привести к несогласованности данных и, как следствие, к низкому качеству реконструкций.
Решение системы алгебраических уравнений вида (2.13) для восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере является сложной вычислительной задачей. При типичном размере ячейки дискретизации (1 градус по долготе, 1 градус по широте, 1 час по времени) и типичном числе лучей для всех пар спутник-приемник за 1 день, используемых при восстановлении, порядка 200 000, матрица задачи (2.13) содержит порядка 1011 элементов, но является при этом достаточно разреженной. В данном случае имеет смысл использовать итерационные, а не прямые, методы решения системы линейных уравнений. Другой важной особенностью итерационных методов является возможность учета априорной информации о неотрицательности решения (распределения электронной концентрации) на каждом шаге.
Особенностью задачи является ее недоопределенность. Существуют конечные пространственно-временные элементы разбиения исследуемой области, которые не пересекает ни один луч спутник-приемник. Есть несколько подходов для решения этой проблемы. Можно предусмотреть процедуру интерполяции решения в области отсутствия данных. Этот подход эффективен в регионах с густой сетью станций (Западная Европа, США), но неприменим для получения глобальных полей электронной концентрации. Другим подходом является поиск среди бесконечного множества решений недоопределенной задачи наиболее гладкого решения, минимизирующего некоторую соболевскую норму (в отличии от евклидовой нормы в (2.16)) и обеспечивающего интерполяцию решения в область отсутствия данных [63].
При восстановлении использовалась ячейка разбиения (llong, llat, Ik), ошибка по правой части в метрике L; составила 0.2%. Видно, что даже относительно разреженная сеть приемников в Юго-Восточной Азии позволяет восстанавливать положение, размер, ориентацию вдоль геомагнитного экватора и максимальные значения электронной концентрации для экваториальной аномалии. Отметим также восстановление пониженных значений электронной концентрации над Европой в области модельного задания главного ионосферного провала. На рис. 2.8 приведена относительная ошибка восстановления распределения N в ионосфере на высоте 300 км. (4:00 UT). Видно, что в широтном диапазоне (-65 ,65 ) относительная ошибка восстановления распределения электронной концентрации для данной модели и геометрии задачи не превышает 20%, локальные области с большими ошибками сконцентрированы около одинокостоящих приемников или тесных групп приемников. Ошибка существенно возрастает только в высоких широтах, где недостаточно число приемных станции и направление лучей спутник-приемник преимущественно ориентировано вдоль широтных линий.
Оценка критической частоты слоя F2, сравнение с данными ионозондов
Приведем результаты сравнения foF2, полученных в результате пересчета значений N в максимуме слоя по данным высокоорбитальной реконструкции с данными этих ионозондов. Примеры такого сравнения для 30 октября 2003г. показаны на рис. 3.4. Для всех ионозондов, кроме Jicamarca и Dyess, видно совпадение временного хода &F2 с результатами реконструкции по данным высокоорбитальных GNSS. Значения foF2 также неплохо совпадают. Разница вызвана различием между реальной высотой слоя F2 в ионосфере и значением высоты максимума слоя используемой в алгоритме восстановления при представлении неизвестного распределения электронной концентрации в ионосфере (2.3). Ионозонд Jicamarca в свою очередь расположен в области, где геометрия приемников и спутников не позволяет (в соответствии с результатами моделирования) восстанавливать распределение электронной концентрации с достаточной точностью, чем скорее всего и вызваны отличия в foF2 по данным ионозонда и реконструкции. Аналогичные результаты получены для менее геомагнитно возмущенного дня 27.04.2007 (Кр 3). Вертикальный ТЕС 30.10.2003 22UT поданным Jet Propulsion Laboratory-Отметим качественное совпадение представленных распределений, совпадающие аномально высокие максимальные значения вертикального ТЕС, наличие пятна ионизации над Европой. Вместе с тем на распределении, представленном JPL, виден нижний гребень экваториальной аномалии, что обусловлено использованием в технологии GIM моделей ионосферы в областях недостатка или отсутствия данных высокоорбитальных GNSS.
Также было проведено сравнение распределений вертикального ТЕС полученного по данным высокоорбитальных GNSS и ТЕС полученного методом двумерной низкоорбитальной радиотомографии вдоль цепочки на Аляске (-145long). Приведем примеры такого сопоставления для 30 октября 2003 г. Наблюдались как случаи хорошего совпадения широтных зависимостей (рис 3.6. сверху справа) и даже значений ТЕС (рис 3.6. сверху слева) вдоль цепочки приемников по данным низкоорбитальной томографии и по высокоорбитальным данным, так и случаи значительного расхождения ТЕС полученного этими двумя методами (рис 3.6 снизу).
Расхождение в данных может объясняться тем, что в возмущенный период, каким и является 30 октября 2003 г., практически мгновенное распределение ТЕС по данным низкоорбитальной томографии, в связи с быстрыми процессами перестроения ионосферы, не будет совпадать с усредненным по достаточно большому временному интервалу (1 час) распределению ТЕС, построенному по высокоорбитальным данным. Отметим также, что цепочка низкоорбитальных приемников на Аляске находится в области с недостаточным числом приемников сигналов GNSS и ошибка восстановления ТЕС в этой области, как показало моделирование, как правило достаточно велика.
Приведем результаты восстановления с использованием предложенного алгоритма такой важной структуры ионосферы, как экваториальная аномалия (см. рис. 3.7) на примере 22 октября 2003 года. Треугольниками обозначены станции GPS, белая линия соответствует пролету спутника ТОРЕХ. На реконструкции хорошо видны северный и южный гребни экваториальной аномалии. Северный гребень имеет большую протяженность, порядка 4000 км и вытянут вдоль 20 СШ. Южный гребень менее выражен, имеет протяженность порядка 3500 км и вытянут вдоль 5 ЮШ. Значение ТЕС в максимуме экваториальной аномалии на 25-30TECU выше значений ТЕС на экваторе. 100 110 120 130 140 150
Отметим наличие станций IGS (белые точки) на широтах выше широты провала, что необходимо для восстановления параметров провала. Видно резкое падение (практически в 2 раза с 11TECU до 6 TECU) значения вертикального ТЕС (так называемая стенка провала) на широте 65 СШ. Ширина провала по данным восстановления составляет 15
Таким образом, представленный алгоритм восстановления по данным GNSS позволяет получать пространственно-временные распределения вертикального ТЕС в ионосфере и в комбинации с другими методами открывает перспективы создания глобальных систем мониторинга ионосферы при увеличении числа приемников. Предложенный метод позволяет восстанавливать структуру крупных неоднородностей ионосферы, таких как экваториальная аномалия, главный ионосферный провал, пятна ионизации и.т.д. Сопоставление результатов восстановления с независимыми измерениями ионозондов, низкоорбитальной томографии и глобальными ионосферными картами показало неплохую эффективность применяемого подхода.
Внезапные ионосферные возмущения (SID) возникают в результате воздействия излучения солнечной вспышки на верхние слои атмосферы. Наблюдения SID являются одним из основных средств наземной регистрации солнечных вспышек наряду с оптическими наблюдениями вспышек и наблюдениями солнечного радиоизлучения. В отличии от эффектов в оптическом и радиодиапазонах ионосферные эффекты вспышек представляют особый интерес, поскольку они являются реакцией ионосферной плазмы на импульсную ионизацию. Время релаксации ионизованной компоненты составляет от долей минуты до нескольких минут в нижней ионосфере и в области Е и от 30 мин до 1 часа в области F. Вспышки создают короткие резкие импульсы, сравнимые по продолжительности с этими временами. Во время вспышки Солнце представляет собой мощный источник рентгеновского и ультрафиолетового излучения, а также потока частиц с широким спектром энергий. Увеличение интенсивности рентгеновского и ультрафиолетового излучения, наблюдаемое во время хромосферных вспышек, немедленно вызывает возрастание электронной концентрации в ионосфере, различное для разных высот.
Оценка ионизирующего излучения Солнца во время вспышки по данным системы GPS
Для всех приведенных вспышек можно наблюдать подобие временных зависимостей скорости изменения ТЕС для различных точек наблюдения и спутников, для восходящих и нисходящих траекторий, что также подтверждает предположение о том, временной ход dTEC/dt должен совпадать с временной изменчивостью рентгеновского и ультрафиолетового излучения во время вспышки.
Данные о скорости изменения ТЕС во время солнечной вспышки могут быть использованы для оценки спектральной интенсивности потока солнечного излучения, вызванного вспышкой.
В соответствии с данным приближением во время вспышки интенсивность ионизирующего солнечного излучения возрастает скачкообразно I = IQ + AI6(t — t0), вследствие чего скорость образования электронов Р испытывает скачок Р = Р0+ AP0(to) и соответствующий скачок претерпевает производная электронной концентрации, а, следовательно, и производная полного электронного содержания ТЕС.
Вариация полного электронного содержания для вспышек Х17 28.10.2003 (слева) и Х10 29.10.2003 (справа) по данным реконструкции и глобальных ионосферных карт IGS, совместно с солнечным рентгеновским излучением в диапазоне (1-8)А. Для сравнения приведены также вариация среднего ТЕС, посчитанная по глобальным ионосферным картам, представленным IGS, а также поток рентгеновского излучения в диапазоне (1-8)А .Видно, что вариация ТЕС полученная описанным в главе 2 методом резко возрастает в момент вспышки, в то время как вариация ТЕС по данным глобальных ионосферных карт IGS не обладает достаточным временным разрешением, чтобы описать быстрые процессы происходящие в ионосфере во время солнечной вспышки.
В главе проведено исследование SITEC в ионосфере во время ряда интенсивных солнечных вспышек по данным наземного приема сигналов системы GPS. Предложен критерий детектирования солнечных вспышек по данным системы GPS. Проведено сравнение с данными /пйа ионозондовых измерений. Была исследована зависимость изменения ТЕС в ионосфере в момент вспышки от положения точки наблюдения, показана связь величины SITEC с зенитным углом Солнца точки наблюдения. Предложен новый параметр - эффективная ионизирующая интенсивность и методы ее определения по данным GNSS. Предложен алгоритм оценки интенсивности солнечного излучения вне диапазона (1-8)А по данным о скорости изменения ТЕС со станций сети IGS и об интенсивности солнечного рентгеновского излучения в диапазоне (1-8)А со спутников серии GOES.
Предложенные в главе методы могут быть использованы при изучении на основе данных сети приемников GPS внезапных ионосферных возмущений, вызванных солнечными вспышками. Глава 5. Восстановления параметров атмосферы по данным спутникового приема сигналов высокоорбитальных GNSS.
Как было показано в первой главе, радиозатменный или рефрактометрический метод позволяет получать данные о зависимости угла рефракции в атмосфере от прицельного параметра низкоорбитального спутника-приемника сигналов GPS. Далее в приближении локальной сферической симметрии атмосферы зависимость угла рефракции от прицельного параметра может быть пересчитана в вертикальный профиль показателя преломления с помощью преобразования Абеля (1.13). Показатель преломления в свою очередь содержит в себе информацию о таких важных параметрах атмосферы, как плотность, температура, давление, влажность, электронная концентрация в ионосфере и.т.д. Таким образом, встает задача о восстановлении высотных профилей этих параметров из профиля показателя преломления, полученного в частном случае в радиозатменных экспериментах.
Ограничимся рассмотрением нижней атмосферы, и не будем учитывать вклад электронной концентрации в показатель преломления. Отметим также, что на коротких длинах волн и при типичных атмосферных температурах преломляющая способность водяного пара приблизительно в 17 раз больше чем у сухого воздуха, так что у поверхности Земли в тропиках вклад водяного пара в показатель преломления может достигать его трети.
