Содержание к диссертации
Введение
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 по данным 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
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 (2D) и трехмерной (3D) 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 4D структуры ионосферы 157
5. Мониторинг ионосферной изменчивости методом радиопросвечивания в период гелиофизических возмущений и импульсных воздействий 165
5.1. Ионосферные эффекты в период солнечного затмения 165
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 поданным 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 270
Список использованных источников 276
- Функциональные связи параметров зондирующих сигналов и среды их распространения
- Анализ возможности решения обратной задачи радиопросвечивания градиентными методами
- Определение полного электронного содержания ионосферы Земли по данным навигационных измерений
- Высотные профили распределения электронной концентрации как основа пространственной реконструкции ионосферы
Введение к работе
Актуальность исследований, проведенных в диссертационной работе, обусловлена необходимостью решения комплекса проблем по разработке эффективных методов мониторинга ионосферы Земли на основе существующих навигационных спутниковых систем Это направление связано с созданием новых математических методов обработки навигационных сигналов, позволяющих определять параметры ионосферы, важные для практических применений Использование метода сопряженных градиентов для решения обратной задачи радиопросвечивания ионосферы Земли позволяет создать эффективную технологию радиофизического мониторинга ионосферы в глобальном масштабе, предназначенную как для решения научно-практических задач, так и прогноза антропогенных явлений, в частности, землетрясений.
Решение этих задач имеет важное значение при реализации Федеральных целевых программ «Глобальная навигационная система», «Развитие и модернизация системы сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений», "Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2010 года", программы 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 космического пространства"). Все эти программы направлены на совершенствование методов и технологий аэрокосмического мониторинга природной среды и чрезвычайных ситуаций
Методы исследований. Выполненные исследования основаны на использовании функциональных связей параметров зондирующих сигналов и среды их распространения и математического аппарата решения интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода Решение таких уравнений относительно неизвестной функции N{z) сводится к решению обратных некорректно поставленных
задач атмосферной рефракции
Научная новизна работы заключается в теоретическом, методическом и экспериментальном обосновании и решении проблемы создания технологии непрерывного мониторинга для исследования и прогнозирования состояния ионосферы Земли на основе использования глобальных спутниковых навигаци-
7 онных 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 с целью определения высотного профиля распределения электронной концентрации ионосферы Земли Показана эффективность алгоритма решения обратной задачи методом сопряженных градиентов на множествах специальной структуры по данным навигационных систем
Разработаны и апробированы на реальных данных измерений алгоритмы и программные средства, предназначенные для 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 этого метода при детектировании ионосферных возмущений во время гелиофизиче-ских 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 методом 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
8 помощью навигационных спутниковых систем материалов и применении-метода решения обратной задачи радиопросвечивания на трассе спутник-Земля Развитая технология определения профиля электронной концентрации не требует применения специально оборудованных пунктов и может быть реализована в полевых условиях, на борту самолетов и морских судов, что весьма важно для получения информации об ионосфере в квазиреальном масштабе времени и планетарном масштабе.
Предложена методика детектирования сейсмоионосферных вариаций по данным навигационньж спутниковых систем Апробация методики проведена на реальных сейсмических явлениях, имевших место в различных регионах Земли
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 использованием сигналов навигационных систем в масштабе реального времени.
Положения, выносимые на защиту:
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 гелиофизиче-ских 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 средств для решения фундаментальных и прикладных задач» (1993 г, Москва), на Всероссийских научных конференциях по распространению радиоволн (1984, 1987, 1993, 1996, 1999, 2002, 2005 гг, Россия); на научно-технической конференции «Современное состояние проблем навигации и океанографии» (1995 г., С-Петербург), на международной конференции «Радар-96» (1996 г, КНР), 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 гг. с целью изучения влияния условий распространения радиоволн на работу космических радионавигационных и геодезических систем как при непосредственном участии автора, так и его руководством
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».
Достоверность научных выводов подтверждается согласованностью теоретических и практических результатов с известными в литературе данными, согласованностью результатов математического моделирования и эксперимен-
10 тальных исследований с результатами теоретическото~анализа, сопоставлением полученных результатов с данными наземных ионозондов
Личный вклад автора заключается в выборе направления исследований, в формулировке и постановке основных задач, в проведении теоретического анализа и имитационного моделирования, в проведении экспериментальных исследований и интерпретации полученных результатов, а также в разработке алгоритмически-программного обеспечения для решения обратной задачи радиопросвечивания ионосферы Земли сигналами спутниковых систем
Все вошедшие в диссертационную работу результаты получены лично автором либо при его непосредственном участии Интерпретация научных результатов осуществлялась вместе с соавторами публикаций, которым автор благодарен за плодотворную совместную работу
Структура и объем диссертационной работы
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 ее апробации в реальных условиях.
Функциональные связи параметров зондирующих сигналов и среды их распространения
Применяемые в глобальных спутниковых навигационных системах радиотехнические средства позволяют измерять изменение фазы или частоты радиосигнала и время его задержки при распространении от спутника до наблюдательного пункта. Этим радиотехническим параметрам сигнала ставятся в соответствие определенные физические величины: проекция радиальной скорости V движения космического аппарата на лучевую траекторию распространения радиоволн и дальность R от наблюдаемого пункта до космического аппарата. При определении дальности R радиотехническими методами обычно измеряют время прихода tn, а само расстояние определяют по формуле: где fc и fn- истинные радиус-векторы спутника и потребителя, tc- время излучения сигнала, tn- время распространения радиосигнала по трассе спутник - приемный пункт, с- скорость света в вакууме, Atn и Atc флуктуации частоты (времени) сигналов на приемном пункте и спутнике, Att - время задержки сигнала при его распространении через ионосферу и атмосферу соответственно, є - прочие ошибки траекторных измерений. Для локальной сферически-слоистой модели атмосферы, свойства которой зависят только от высоты z = r -а над земной поверхностью, время распространения t можно определить по формуле где V(r) = c/n{r)- скорость распространения сигнала в атмосфере, характеризуемой коэффициентом преломления п{г), в- центральный угол наблюдения искусственного спутника (ИСЗ) из центра масс Земли, с-скорость света в вакууме.
Согласно принципу вариационного исчисления функция г = г(0), при которой достигается минимум функционала (1.2), удовлетворяет следующему уравнению: где п0 - п{а)- коэффициент преломления атмосферы на поверхности Земли, а - радиус Земли в месте расположения измерительного пункта. Используя (1.2) и (1.3), для измеряемого расстояния от пункта наблюдения до ИСЗ получим следующее соотношение: Следовательно, рефракционный вклад ДЯ(&) атмосферы в измерения дальности можно определить по следующей формуле [15, 111-113]: где Rz()- геометрическая дальность, определяемая из формулы (1.4) при значении коэффициента преломления и(г)=1, т.е. в отсутствие атмосферы (в вакууме). Сложность определения Л#(&) из формулы (1.5) заключается в том, что зенитный угол наблюдения &, как правило, точно неизвестен. Поэтому для определения рефракционного вклада атмосферы удобно пользоваться следующей процедурой расчета. Из формулы (1.3) следует, что центральный угол наблюдения нему рассчитываем геометрическую дальность Вклад атмосферы в измерения дальности можно определить теперь как разность между измеренной дальностью Я{&) и геометрической дальностью і?г(&), определяемой из баллистических расчетов, т.е. Выражение (1.8) позволяет определить вклад атмосферы при условии, что известен вид высотного профиля коэффициента преломления п{г).
По аналогии с дальномерными измерениями рефракционный вклад атмосферы можно определить и по измерениям радиальной скорости, а именно: Приведенные формулы (1.8) и (1.9) являются, с одной стороны, основой для разработки различных алгоритмов и методик учета влияния 42атмосферы на радиоизмерения, использующих ту или иную модель коэффициента преломления атмосферы [89-94, 111-113]. При этом основные ошибки при вычислении влияния атмосферы возникают, как правило, из-за неадекватного описания свойств атмосферы на основе моделей фактическому распределению коэффициента преломления вдоль трассы распространения радиоволн. С другой стороны, они определяют связь радиотехнических параметров сигнала с параметрами среды распространения - в первую очередь с коэффициентом преломления атмосферы. Наличие такой связи дает возможность определять параметры среды распространения по данным навигационных спутниковых измерений и служит основой для развития нового метода дистанционного зондирования и мониторинга атмосферы - метода радиопросвечивания [4, 10, 32-33, 56-57, 113-115]. Метод радиопросвечивания, как один из методов дистанционного зондирования опирается на математическую зависимость характеристик принимаемых радиоволн от коэффициента преломления в форме интегрального уравнения первого рода и математически соответствует обращению (инверсии) интегрального уравнения. Результатом обращения являются высотные профили коэффициента преломления радиоволн, а в последующем на основе известных функциональных зависимостей вычисляются профили электронной концентрации ионосферы [4, 10, 32-33].
Анализ возможности решения обратной задачи радиопросвечивания градиентными методами
При решении некорректно поставленных задач, к которым относится обратная задача радиопросвечивания ионосферы Земли, возникает естественный вопрос: нельзя ли для данной задачи подобрать такую пару метрических пространств, на которой задача была бы корректно поставленной. На самом деле выбор таких пространств не может быть произвольным. С одной стороны, он диктуется той метрикой, в которой левая часть уравнения (1.17) известна с достаточной степенью точности. На практике эта часть уравнения получается в результате обработки радиотехнических измерений и ее погрешность может быть мала в пространстве L2 функций. С другой стороны, выбор пространства диктуется той метрикой, в которой требуется получить искомое решение.
При решении обратной задачи радиопросвечивания ионосферы априори известно, что решение данной задачи принадлежит классу ограниченных и положительно определенных функций. В [127] показано, что если точное решение операторного уравнения (2.1) - непрерывная функция ограниченной вариации, то можно построить равномерное приближение к точному решению задачи.
Для удобства анализа перепишем интегральное уравнение радиопросвечивания (1.17) в следующем операторном виде: где K(S,z) = (a +z)/ a +z)2 -a2 sin2 Щ - функция двух переменных (ядро интегрального уравнения (1.17)), (p(z) = N(z),a = zL,b = zv.
Заметим, что функция K(S,z) является непрерывной в пространстве Li функций, интегрируемых с квадратом, так как
Это означает, что функция К(3,г) является ядром Гильберта-Шмидта [134]. Следовательно, согласно известной теореме [133], равенство (2.2), где K{3,Z) - функция с интегрируемым квадратом, определяет в пространстве L2 функций, интегрируемых с квадратом, компактный линейный оператор А , норма которого удовлетворяет неравенству
В силу условия (2.3) оператор А является и непрерывным. Покажем, что функция и{$) непрерывна для любой непрерывной функции q {z) из пространства L , так как оператор А переводит пространство непрерывных функций в себя.
Интеграл \К(&, z)\ dz существует для всех 3 в силу теоремы Фубини а [133] и условия (2.3). Это означает, что ядро интеграла К($,г), как функция от z, при всех & принадлежит пространству функций как произведение функций с суммируемым квадратом суммируемо, то функция U{3) определена всюду и принадлежит пространству Ъ .
Действительно, в силу неравенства Коши-Буняковского [134] для всех S имеем: следует, что оператор А осуществляет взаимно однозначное непрерывное отображение, т.е. обратное отображение также непрерывно. В этом случае, компакт М, к которому принадлежит точное решение задачи (2.2), является классом корректности для уравнения (2.2) [127]. Так как функция U(&) принадлежит пространству L2, то в силу взаимно однозначного и непрерывного отображения следует, что решение задачи (2.2) также принадлежит компакту в пространстве L2. Это означает, что существует метрическое множество, принадлежащее пространству L2, в котором задача (2.2) является корректной по Тихонову. Следовательно, она разрешима в пространстве L2 для точно заданной функции U(3) и оператора А.
Однако следует помнить, что на практике функция U{3) известна, как правило, с некоторой погрешностью 8: Us =US(3) = U(3) + S. Более того, погрешность задания исходных данных при решении обратной задачи прямого радиопросвечивания не бывает фиксированной и не может быть сделана сколь угодно малой. В этом случае нельзя построить точное решение уравнения (2.2) по формуле cp{z) = A lUs, так как при этом выражение A lUs не имеет смысла.
Далее, на практике функция Us(&) задается в виде набора конечномерных значений. Поэтому при поиске решения уравнения (2.2) интегральный оператор Acp(z) заменяется конечномерной интегральной суммой YJK( i,Zj) (z:), определенной на фиксированной сетке размера пхт, где п, т - количество разбиений по параметрам z и Ф соответственно.
При реализации алгоритма обращения правая часть уравнения (2.2) u = AR{$,f) должна быть представлена в виде двумерного массива -разности дальностей и зенитного угла наблюдения в:
Определение полного электронного содержания ионосферы Земли по данным навигационных измерений
При проведении измерений в навигационных спутниковых системах типа GPS и ГЛОНАСС могут использоваться как несущие частоты, так и их коды модуляции. Из режима проведения измерений - кодовые измерения или измерения по несущей - уже следует, что измерения на несущей частоте обладают более высокой точностью в силу того, что длительность сигнала с кодовой последовательностью больше длительности сигнала на несущей частоте. Особенностью измеряемых величин является то, что их получение происходит в условиях неинвариантности во времени частот излучаемых сигналов и инвариантности фаз этих сигналов [149]. Основным принципом измерения этих величин является сравнение параметров переданного сигнала с аналогичными параметрами опорного. В настоящее время измеряемыми величинами являются, как правило, измерения псевдодальности и фазы несущей. При измерении псевдодальности используется сравнение двух сигналов, один из которых принятый спутниковый сигнал, второй - его копия, генерированная приемником. С учетом ошибок, неизбежных при любых радиотехнических измерениях, наблюдаемая псевдодальность при выполнении навигационных измерений может быть представлена в следующем виде [153-154]: где R(f,t) - измеренная на частоте / псевдодальность от приемника до спутника в момент времени t; і?0(ґ) - геометрическое расстояние между приемником и спутником; Ts R - разность показаний часов приемника относительно универсальной шкалы времени; Rj(f,t) и RT(t) - изменения псевдодальности за счет влияния ионосферы и тропосферы, соответственно; с- скорость распространения сигнала; 5 - прочие ошибки измерений, например, многолучевость распространения, шумы приемника. Точность измеряемых псевдодальностей зависит от отношения сигнал/шум и частоты измеряемого сигнала - частоты несущей или тактовой частоты кодовой последовательности.
Поэтому инструментальная точность измерения псевдодальностей на несущей частоте Ly выше, чем на несущей L2, а по «точному» Р-коду выше, чем по «грубому» С/А-коду. Так, например, среднеквадратическая инструментальная точность измерения дальности приемника ROGUE и ASTECH составляет менее 10 см [153-154]. Фазовые измерения несущей имеют более высокую разрешающую способность по сравнению с другими видами измерений, что объясняется меньшей длиной волны этого сигнала относительно кодового сигнала [149]. Поэтому измерения по фазе несущей являются основными измеряемыми величинами для решения задач, требующих высокой точности измерений.
Концепция фазовых измерений заключается в следующем. Амплитуда излучаемого сигнала на несущей частоте fs в момент времени t выражается в виде: где (Ps( o) - начальная фаза сигнала, которая может быть определена только косвенно. Учитывая время At распространения сигнала в среде, фазу принятого сигнала в момент времени tr = t + At в связи со свойством ее инвариантности в процессе распространения можно записать в следующем виде: где фд( о) - неизвестная начальная фаза, tr - время, фиксируемое приемником. В приемной аппаратуре происходит сравнение входного сигнала с его копией, генерируемой в приемнике: Ег =ЕГо cos(2nfrt + q r(t0)). Комбинируя фазы сигналов, можно получить значения фазы несущей в момент времени tr: Из этого выражения видно, что Ф (?о) и Фг(/о) остаются постоянными, но неизвестными величинами. Разность этих начальных фаз также остается постоянной и называется неоднозначностью биения фаз, Учитывая все известные систематические ошибки и соотношение At-RL(t)/c, окончательное выражение для фазы несущей может быть записано в следующем виде: номинальная частота несущей (для LX =1575,42 МГц, для ь2 =1227,60 МГц). Наилучшая точность измерения фазы несущей в современных приемниках составляет в линейной мере 0,1 мм [153-155]. Для определения интегральной концентрации ионосферы используются как псевдодальномерные, так и фазовые измерения на несущей частоте. С учетом возможных ошибок псевдодальномерные и фазовые измерения могут быть представлены в следующем виде [156]: псевдодальномерные кодовые измерения дальности PR по Р или С/А коду: фазовые измерения (измерения по фазе несущей)
Высотные профили распределения электронной концентрации как основа пространственной реконструкции ионосферы
Интегральные уравнения первого рода (1.17) и (2.24), определяющие функциональную зависимость измеряемых параметров сигнала от высотного распределения электронной концентрации, которое в свою очередь является функцией пространственных координат и времени, можно считать математической моделью физических процессов, происходящих при радиопросвечивании ионосферы Земли. Их же можно рассматривать как уравнения компьютерной томографии, осуществляемой с достаточно большого числа ракурсов (при использовании глобальных навигационных систем число ракурсов при дискретности измерений 30 секунд может превышать 3000). Многоракурсный способ реализуется в компьютерной томографии обычно при диагностике несимметричных объектов. Если же объект не обладает какой-либо симметрией, то для восстановления его количественных характеристик необходимо получать информацию с большого числа ракурсов. Ионосферу Земли в полной мере можно отнести к такой среде. Поэтому для её диагностики целесообразно использовать многоракурсный метод компьютерной томографии. Одним из вариантов аппаратурной реализации такой томографии является метод радиопросвечивания, осуществляемый с одного пункта наблюдения.
В этом случае метод позволяет определять одномерные разрезы ионосферы вдоль трассы, аналогичной по форме проекции траектории движения подспутниковой точки. Получаемые при этом профили относятся к вертикальному разрезу ионосферы, географическое положение которого определяется положением проекции подионосферной точки, которая определяется как место пересечения траектории луча распространения электромагнитной волны с максимумом электронного распределения для данного профиля.
Схема определения географических координат проекции подионосферной точки на поверхность Земли приведена на рис. 4.3. Учитывая, что в получаемом информационном кадре содержатся сведения об азимуте А и угле места наблюдения Е спутника относительно приемника, имеющего географические координаты (р0 (широта) и к0 (долгота), широта (p(t) и долгота X(t) проекции подионосферной точки будут определяться следующими соотношениями [156]: где a(t) = n/2-E(t)-arcsin[cosE(t)/(l + Hmax /a)] - угол между линией, соединяющей центр масс Земли и спутник, и линией, соединяющей этот же центр и положение приемника; Нтах - высота максимума электронного распределения в восстановленном профиле; а - радиус Земли в месте расположения приемника.
Ранее на рис. 3.5 был приведен пример распределения координат проекций подионосферных точек в течение суточного сеанса наблюдений по всем спутникам системы GPS. Каждой указанной на рисунке точке соответствует высотный профиль распределения электронной концентрации, полученный для соответствующего времени наблюдения.
Рассмотрим возможность применения получаемых при этом высотных профилей Ne(z) для 2D реконструкции ионосферы. Основой для построения пространственных разрезов распределения электронной концентрации ионосферы являются приведенные ранее на рис. 3.6 профили. Полностью они представлены на одном рис. 4.4. Отметим, что такие результаты получены в течение суток при наблюдении 15 космических аппаратов с одного пункта для моментов времени, когда спутники наблюдались под минимальными зенитными углами, т.е. при минимальных расстояниях от пункта наблюдения. Наличие высотных профилей, полученных для разных азимутальных направлений (фактически для разных географических точек), позволяет синтезировать пространственные сечения ионосферы, используя только один пункт наблюдения.
На рис. 4.5 показана двумерная структура высотного распределения профиля электронной концентрации, полученная при наблюдении 15 космических аппаратов. Здесь по оси Z отложено значение электронной концентрации в зависимости от высоты, по оси X - текущая высота ионосферы, по оси Y - время наблюдения, которое можно интерпретировать как азимут наблюдения конкретного спутника или как географические координаты подионосферной области, для которой приведен данный разрез ионосферы. Более детально это можно продемонстрировать на примере одного спутника.
В качестве наглядной иллюстрации на рис. 4.6 показано поведение максимума электронной концентрации, полученное по наблюдениям за одним из спутников, в зависимости от географического расположения подионосферной области. Географические координаты этой области определялись как координаты точки пересечения максимума ионосферы с траекторией луча распространения радиосигнала.
Похожие диссертации на Метод мониторинга ионосферы Земли на основе использования навигационных спутниковых систем
