Исследования возмущений ионосферы методами GPS-интерферометрии

Зиенко, Андрей Станиславович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Исследования возмущений ионосферы методами GPS-интерферометрии
ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Исследования возмущений ионосферы методами GPS-интерферометрии"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ, ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 550.388.2; 520.24; 537.86

Зиенко Андрей Станиславович

ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМУЩЕНИЙ ИОНОСФЕРЫ И СР8-СИГНАЛОВ МЕТОДАМИ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ И ВЕЙВЛЕТ-АНАЛИЗА

Специальность 25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2008 г.

00345605Э

003456059

Работа выполнена на кафедре физики атмосферы физического факультета Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, доцент

ЗАХАРОВ Виктор Иванович Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор КУНИЦЫН Вячеслав Евгеньевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор ЛУКИН Дмитрий Сергеевич

доктор физико-математических наук, ШАЛИМОВ Сергей Львович

Ведущая организация-.

Институт Земного Магнетизма и Распространения Радиоволн

Защита диссертации состоится «24» декабря 2008 г. в_часов на заседании

Диссертационного совета Д501.001.63 при МГУ им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992 Москва, Ленинские горы, физический факультет, аудитория_

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан « » 2008 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д501.001.63

В.Б. СМИРНОВ

Актуальность работы.

Наличие неоднородных структур в атмосфере и ионосфере Земли является типичным состоянием этих сред и связано с различными явлениями [1-7]. Во-первых, речь идет о целом многообразии процессов, протекающих на Солнце и в околоземном космическом пространстве (ОКП) [1-3, 7]. Во-вторых, ионосфера как часть атмосферы является индикатором различных динамических процессов в системе «планета Земля - атмосфера», например, тайфунов, циклонов, землетрясений и проч. Под термином «неоднородные структуры» или «неоднородности» ионосферы и атмосферы понимается отклонение параметров ионосферной плазмы и атмосферных полей температуры, давления, влажности от средних, равновесных значений для данного сезона, времени суток, высоты и геомагнитных условий.

Ионосфера является уникальной средой для эффективного выделения и изучения возмущений различной природы, поскольку появление в ней неоднородностей различных пространственно-временных масштабов приводит к изменению условий распространения радиоволн, используемых для различных приложений. Изучая характеристики зондирующих трансионосферных сигналов и их временные вариации, можно исследовать изменения в состоянии атмосферы и ионосферы, а количество регистрируемых феноменов может быть индикатором широкого круга процессов в изучаемых средах, включая и явления, связанные с космической погодой [7].

Такая постановка задачи важна не только с прикладной точки зрения, поскольку радиофизический аспект обусловлен именно влиянием неоднородных структур на распространение радиоволн в широком диапазоне длин (от сотен метров до десятков сантиметров), используемых в радиосвязи, радиолокации, радионавигации и радиоастрономии, но и с точки зрения исследовательских задач зондирования в физике атмосферы, ионосферы и околоземного пространства.

В последние десятилетия осознается необходимость глобального мониторинга нестационарной и неоднородной ионосферы как части атмосферы, т.е. среды распространения радиоволн и детектора воздействий на окружающую среду. По сути, речь идет об экспериментальных исследованиях атмосферы, сборе и последующем анализе уникального междисциплинарного материала о процессах в системе геосфер Земли. Такой материал нужен, в частности, и для создания единой теории образования неоднородных структур в ионосфере.

Итак, экспериментальное исследование структуры и динамики ионосферных неоднородностей (ИН) различных типов является актуальной задачей физики атмосферы Земли. Эти возмущения могут носить волновой характер и быть проявлениями атмосферных внутренних и акусгико-гравитационных волн (ВГВ и АГВ соответственно), которые дают существенный вклад в общую динамику и энергетику верхней атмосферы [5,6]. Уникальность и

сложность изучения волновых возмущений связана с именно с тем, что причины их появления в ионосфере могут быть различны и определяются как внутренними процессами, протекающими в системе геосфер, так внешними условиями в околоземном космическом пространстве [1-3, 8].

Разработанные и опробованные в период МГГ-МГСС методики изучения перемещающихся ИН и квазиволновых возмущений [9] стали классическими, но остаются актуальными и сейчас для методов трансионосферного зондирования. Использование сигналов навигационной системы GPS [10] без преувеличения явилось важнейшей вехой развития исследований верхней атмосферы, поскольку позволило решить вопрос систематического сбора информации и изучения ионосферы в течение длительного времени в различных регионах Земли. Именно такой подход к изучению квазиволновых структур ионосферы дает огромный материал и позволяет получить новые важные результаты о взаимосвязи процессов в ОКП.

Методы GPS- интерферометрии [11-13] не требуют специальной калибровки и используют практически сопутствующую информацию, получаемую при постоянном геодезическом мониторинге планеты. Количество станций наблюдения GPS-сигналов только в одной сети IGS сравнимо с числом постов Всемирного Метеорологического Общества (WMO), накоплен колоссальный объем данных. Поэтому очень важно создание эффективных программ автоматической обработки данных по региональному признаку, тем более, что методы GPS- интерферометрии позволяют исследовать как естественные процессы в средах, так и явления, связанные с антропогенным на них воздействием.

В этой связи, основной целью работы является систематические исследования ИН и ПИВ, регистрируемых в ионосфере дифференциальными методами 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 обширного экспериментального материала и проведение геофизического анализа результатов.

Для решения поставленных задач необходимо:

- использовать и развить опробованные радио-интерференционные GPS-методы исследования ионосферных неоднородностей;

- развить методики исследования сигналов системы GPS для увеличения точности определения низкочастотных компонент ионосферных сигналов с использованием вейвлет-анализа, отработать методику 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 ПИВ,

- провести геофизический анализ и интерпретацию полученных результатов.

Таким образом, для выполнения работы необходимо создать высокоэффективное программное обеспечение и использовать его для интерактивного комплексного анализа экспериментальных GPS-данных.

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; она выступает как значительная часть комплекса методов по изучению космической погоды, обладающих повышенной чувствительностью, информативностью и высоким пространственно-временным разрешением. Наконец, полученные данные и результаты важны 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 Dstl >120пТ.

3. Впервые для оценки средней скорости коронарных выбросов солнечной массы при вспышках использованы возникновение волновой активности или изменение параметра степенной аппроксимации волнового спектра выделенных неоднородностей в ионосфере. Сравнение с независимыми данными измерений скорости солнечного ветра на ИСЗ SOHO показывает согласие полученных численных значений величин средних скоростей с in situ экспериментами.

4. 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 тестированию методик статистического исследования сигналов системы GPS с использованием вейвлет-анализа,

• созданию и тестированию 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 геофизического анализа и интерпретации полученных результатов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и Приложения. Всего работа содержит 157 страниц текста и список литературы из 117 наименований.

Краткое содержание работы.

Во введении сформулирована проблема изучения ионосферных неоднородностей различными методами, изложена актуальность исследований в этом направлении в настоящее время. Рассмотрены цели и задачи работы, показана научная новизна работы и представлены защищаемые положения.

В Главе 1 определен предмет настоящих исследований - неоднородные структуры в ионосфере - и рассматриваются основные результаты их изучения.

Так, в главе приведены результаты экспериментальных исследований параметров ионосферных неоднородностей (ИН). Данные получены различными экспериментальными методами и используются при выборе диапазона изучаемых в работе параметров и для независимого сравнения с полученными в работе результатами (см. Главу 4). В п. 1.1 рассмотрены характерные диапазоны интенсивности флуктуации электронной концентрации ИН и приведены литературные данные о геометрии и динамике ИН, а также частотных спектрах флуктуаций электронной концентрации и волновых спектрах наблюдаемых структур в различных широтных областях [4-15].

Обзору некоторых механизмов формирования неоднородностей посвящен п.1.2. Поскольку в данное время не существует единого общепринятого механизма образования ионосферных неоднородностей, в работе схематично представлены некоторые основные и достаточно апробированные возможные механизмы физики образования неоднородностей ионосферы, не противоречащие современным экспериментальным результатам, изложенным в п. 1.1. Механизмы различны для разных ионосферных слоев (D, Е, Es, F2) и описывают естественные неустойчивости ионосферной плазмы и ее турбулизации, в том числе внутренними и внешними источниками.

В п. 1.3 рассмотрен один из возможных источников возбуждения ИН -внутренние и акустико-гравитационные волны. Волны приводят к модуляции ее параметров как изучаемой среды, а распространение волнового пакета можно интерпретировать как перемещение ИН. Указанные возмущения приводят к модуляции амплитуды и фазы сигнала, которые могут быть выделены, например, радиофизическими методами и изучаются в ряде приложений. В свете такой трактовки рассматриваемые нами ионосферные неоднородности можно интерпретировать как «перемещающиеся ионосферные возмущения» (ПИВ) -колебания электронной концентрации, которые распространяются в ионосфере в широком диапазоне скоростей и высот. Приводятся результаты различных экспериментальных исследований ПИВ - характерные периоды и скорости их распространения [9,11-13].

В качестве кратких итогов Главы 1 п.1.4, содержит принятые классификации неоднородных структур на мелко-, средне- и крупномасштабные образования в ионосфере по горизонтальным размерам и времени проявления структуры в радиосигналах.

Глава 2 посвящена обзору развития основных методик диагностики неоднородностей ионосферы. Современные методы исследования ИН являются закономерным этапом в эволюции и совершенствованием классических методик наблюдения на новом этапе технического развития. В главе, не претендуя на полноту, кратко изложены основные характеристики некоторых, наиболее распространенных, методов дистанционной диагностики, экспериментальные результаты использования которых, в основном, и представлены в Главе 1.

В п 2.1. рассмотрены основные методы диагностики ионосферы, которые условно делятся на прямые методы (в том числе, ракетно-зондовые, некогерентного [15] и обратного рассеяния), и косвенные, основанные на исследованиях ИН по их проявлениям в амплитуде и фазе зондирующего сигнала, т.е. ВЧХ, наземное и трансионосферное зондирование, доплеровские измерения, радиопросвечивание [4-6], наблюдения при вертикальном зондировании за рассеянным полем на поверхности Земли [9], радиоинтерферометрия [11-13] и радиотомография [14]. Набор параметров, определяемых в каждом методе, в целом различен, но основные - характерные пространственно-временные параметры и величины флуктуаций (или вариаций) электронной концентрации - оценивают в любом из перечисленных методов наблюдения.

Рассмотрение указанных методов диагностики позволяет определить место GPS- радиоинтерферометрии [11-13] среди них. В самом деле, с началом космической эпохи стали проводиться исследования ионосферы с помощью трансионосферных сигналов. По настоящему масштабными и значимыми подобные методики стали при создании двух информационных составляющих распределенной наблюдательной сети - глобальных систем навигации с

высокостабильными навигационными сигналами (например, GPS [10] и GLONASS), используемыми в качестве зондирующих, и наземной сети сходных по характеристикам систем регистрации, на которых регистрация данных осуществляется в едином формате. Все вместе они дают наблюдательную сеть с огромными и постоянно растущими возможностям систематического мониторинга околоземного космического пространства. Такой подход позволяет исследовать волновую взаимосвязь процессов в околоземном космическом пространстве и способствует решению ряда проблем по программе «Космическая Погода» [8], работы по которой активно ведутся различными странами и систематизация уникального междисциплинарного материала практически только начинается.

В п. 2.2. рассмотрены проявления влияния ионосферных неоднородностей на распространение спутниковых сигналов с акцентом на навигационные. Приведены обзорные данные о величинах фазовых флуктуации и сбоях в различных геофизических условиях. П. 2.3. посвящен описанию методики использования сигналов GPS для исследования ионосферы, рассмотрена структура сети IGS и регистрируемые на наблюдательной станции параметры. Изложены известные методы определения параметров ИН по контрасту интерференционной картины, по подобию замираний на приемных станциях и статистический угломерло-доплеровский метод SADM-GPS [11]. Обсуждаются точности определения параметров ПИВ при использовании GPS-методик.

В п. 2.4. более подробно рассмотрена идеология и реализация методики определения параметров ПИВ при использовании GPS- данных. Методики основаны на методе SADM-GPS и непосредственно использованы в созданном при выполнении работ пакете прикладных программ для Комплексного Регионального Анализа Спутниковых Сигналов - CRASS GPS. Отметим, что в данном пакете, наряду с производной по времени ТЕС, нами использовалась для анализа и производная фазы L1, поскольку амплитуда излучаемого на этой частоте сигнала системы GPS больше, а сбоев меньше, чем у L2 [10]. Дальнейшие шаги обработки производной фазы аналогичны обработке данных для TEC (Total Electron Content, полное электронное содержание) но включают в себя дополнительную фильтрацию с целью выделения периодик, соответствующих частотам Брендта- Вяйсяля на ионосферных высотах [5].

Реализованная в пакете CRASS GPS процедура обработки данных в заданном географическом регионе является классической и заключается в выборе из всего массива тех троек станций, для которых расстояния между приемниками менее заданного пользователем (обычно 50... 100 км). Такие тройки станций далее называются «измерительной ячейкой региональной подсети» или просто «ячейкой подсети». В настоящее время данные, имеющиеся в Internet, имеют временное разрешение 15-ЗОс, что позволяет исследовать и средне- масштабные (до неск. часов) периодики сигнала, которые принято связывать с волновыми

процессами в ионосфере, см. Главу 1. В работе использованы известные критерии выбора времени наблюдения, которое выбирается пользователем и составляет 2-4 часа.

Для каждой измерительной ячейки с помощью созданного ПО определяется не только стандартный набор параметров (скорость волнового фронта плоской волны, азимут и угол места источника волнового возбуждения, координаты местоположения подионосферной точки в модели WGS84), но и спектры мощности и вейвлет-спектры исследуемых сигналов GPS. Спектральный анализ проводился по методу БПФ для последовательностей произвольных длин по Винограду [16] и позволяет сравнить результаты с данными вейвлет-анализа, обрабатываемым для увеличения надежности выделения периодик по специально разработанным методам, изложенным в Главе 3,

Созданное в работе ПО позволяет проводить полный анализ данных для одной ячейки и получать пространственно-временные характеристики детектированных структур, например, анализировать направления и распределения скоростей и периодов выделенных структур для заданных пользователем периодов времени. Затем однотипные данные объединяются и анализируются с большей статистической точностью, нежели от одной ячейки.

На рис. 1 представлен пример такого объединения для интерферометрической обработки данных 6 ячеек подсети Детройта 14.07.2005г с 00 до 4.00 UTC (спокойная геомагнитная обстановка, Dst~30H"Li). Выделенные ПИВ имеют акусто-гравитационную природу (максимальная скорость составила

Cells :(5 Base IGS: adri adri brig brig detl tle!1

2005-7-14 00:01 - 04:00

270 -

Cells: 6 Base IGS: adri adri brig brig detl detl 2005-7-14 00:01 - 04:00

A >

240

120

-90 0 90

Direction, deg (0 - North)

Рис. 2. Пример распределения

скоростей выделенных ПИВ в секторах распространения.

180

Рис. 1, Пример распределения по направлениям для ПИВ, выделенных ПО CRASS GPS.

1180 м/с). Преимущественное направление движения структур - с севера на юг с небольшой (в среднем до 30 м/сек) западной компонентой. Распределение наивероятных значений скоростей ПИВ в каждом секторе приведено на рис. 2).

Среднесекторные значения скоростей варьируются от 80 до 440 м/с. Полученные результаты, а также распределения ПИВ по размерам, совпадают с данными других исследователей [""13] и показывают работоспособность созданного ПО и возможность его использования для оценки параметров неоднородных структур для среднеширотной ионосферы.

В Главе 3 изложен разработанный метод статистического анализа вейвлет-спектров, приводятся результаты исследования его работы в различных ситуациях и примеры применения при анализе данных радиозондирования ионосферы. Метод продемонстрировал большие возможности при анализе низкочастотных компонент исследуемого сигнала, в том числе и при наличии кратковременных сбоев по сравнению со спектральным анализом.

Использование вейвлетов в нашей работе связано с их применением в современной геофизике для анализа и обработки сложных сигналов и полей, нестационарных во времени или неоднородных в пространстве, с различными неизвестными интервалами локализации информации. В п. 3.1. приводятся общие сведения о вейвлет-спектрах временных последовательностей и их свойствах [17]. Рассмотрены используемые в работе типы вейвлет-преобразований, обычно применяемые для анализа сложных сигналов, такие как WAVE, MUAT и вейвлеты Морлетта до б порядка включительно. Предложен критерий выбора оптимального интервала преобразования, а тип вейвлет-функции выбирается на основе решения тестовых задач, моделирующих основные особенности реальных сигналов.

С целью оптимизации использования вычислительных мощностей в работе разработана методика использования статистического подхода при анализе вейвлет-спектров, изложенный в п.3.2. Суть предлагаемого метода заключается в анализе внутренней структуры каждого скелетона вейвлет-образа изучаемого сигнала для выявления составляющих периодик и последующей статистической обработке результатов. Так получают совместные распределения параметра "детектированный период" от частоты его повторения для всех скелинг-функций. Величиной временного разрешения при таком методе обработки является размер ячейки гистограммы, используемой для статистической обработки, что в ионосферных исследованиях обычно составляет 3... 5 мин.

Для отработки методики, создания и тестирования алгоритмов автоматического выделения периодов колебаний, содержащихся в тестовых данных, было разработано специальное тестовое программное обеспечение.

Приведем результаты анализа влияния шума на качество определения параметров сигнала. Для этого проводилось изменение отношения сигнал/шум в модельной смеси сигналов и анализ получаемых затем результатов выделения

периодик. Результаты статистической обработки для различных уровней шума в сигнале приведены на рис. 3. Видно, что при всех уровнях шума происходит выделение гармоник с заданными периодами, даже для длиннопериодного колебания. Анализ показывает, что время включения гармоники также уверенно определяется для всех уровней шума, даже для колебаний, представленных одним периодом в анализируемой области.

Согласно предложенной статистической процедуре оценивания параметров сигнала ясно, что выделение высокочастотных компонент происходит увереннее - вероятность их проявления больше, чем у низкочастотных просто потому, что таких периодик больше в исходном сигнале. Действительно, величина максимумов уменьшается почти линейно при увеличении периода и дополнительно падает вдвое при изменении отношения сигнал/шум в диапазоне [<»...1], причем во всем диапазоне приведенных условий методика показала свою работоспособность.

В работе предложен и использовался пороговый критерий оценки наличия структуры, что особенно важно для систем автоматической обработки. Приведенные исследования для различных периодов позволяет установить порог в 3... 5%.

Особо исследовались случаи обработки сигналов с имитацией кратковременных сбоев. Под сбоем понимается резкое изменение - скачок -амплитуды суммарного сигнала. На рис. 4. приведен пример смеси двух гармоник: периода Т1=3 [усл. ед.] амплитуды А1=1 и Т2=1 с А2=0.52 и двух импульсов длительностью 0.1 и 0.025 амплитудой +/-500, появляющихся в смеси гармоник на временах -10 и 5 соответственно. Импульсная составляющая сигнала полностью маскирует его информационную структуру, обычно выделяемую спектральным анализом. Одновременно предложенная методика обработки

Выделенный период

Рис. 3. Выделение гармоник из тестового сигнала при различном соотношении сигнал/шум.

вейвлет-спектров выделяет гармонические составляющие тестового сигнала -см. панель б), без дополнительной фильтрации.

Signal

» 2 "О

s о

а.

Е 9 < "2

-4

! j 1 ! ! i

......!......................!....................Г...................!....................!............:........!...................1...............

-15 -10

-5 0 5

Tim е

10 15

35 30

г25

S 20

га

.а

2 15 CL

10 5

Distribution size for detecting structures

| ] ! г

ft i i

II 1 ! I i

h S ;

i 1 M

I 1 7iV

..........}}v --- j^yx/..... -------i------ --

2 3 4

P erio d

Рис. 4. Пример обработки сигнала со сбоями.

а) Тестовая смесь сигналов и импульсов.

б) Выделение гармоник статистическим методом вейвлет-оценивания.

Итак, предложенный метод оценки параметров сигналов при наличии сбоев в целом показал свою работоспособность по сравнению со спектральным оцениванием - спектральный подход вообще не дает сколь-нибудь правдоподобных результатов в основной массе сбойных случаев и требует особой фильтрации сбойных участков и затрат времени при обработке.

Разработанная методика дает статистически одинаковые результаты по выделенным структурам для wave- и mhat- анализирующих вейвлетов. Также сохраняются приведенные выше зависимости надежности выделения от амплитуды шума. Применение вейвлетов Мордетта для выделения периодик оказалось нецелесообразным.

В п. 3.3 рассмотрено использование подходов спектрального анализа и предложенного метода вейвлет-анализа для выявления структур в ионосферных сигналах, т.е. вопросы конкретной реализации созданной методики.

Экспериментальные исследования [10,11] показывают,, что в системе GPS ошибка в определении изменения ТЕС не превышает нескольких процентов, возрастая в максимуме до 5% в наиболее сложных геофизических ситуациях. Эти значения служит оценкой величины аддитивного шума, влияние которого на работу статистического метода рассмотрено выше и показано, что при таком уровне шума предложенные нами методики работают весьма эффективно.

На рис. 5 приведены примеры результатов обработки по предложенной методике реальных сигналов и их сравнение со спектральным оцениванием. Для иллюстрации использованы данные станции agmt за 28 сентября 2004 г.

На рис. 5 а) представлена двухчасовая запись анализируемого сигнала, выделенного для спутника GPS N15. Рис. 5 б) показывает результаты вейвлет-преобразования изучаемого сигнала. На рис. 5 в) изображен результат статистической обработки вейвлет-спектра по методике, изложенной выше в п.2 . Видно наличие локальных экстремумов гистограммы на временах, превышающих определенное ранее пороговое значение, отмеченное на рисунке пунктиром. Так выделены периодики 6 мин (соответственно - частоты 2.8 мГц), 8 мин (2 мГц), 14... 12 мин (1.2... 1.4 мГц), 33...28 мин (0.5...0.6 мГц) и 40 мин (0,4 мГц). На рис. 3.8г) приведен пример спектра мощности флуктуаций в ТЕС (сплошная) и в L1 (пунктир). Максимумы в спектрах мощности сигналов соответствуют выделенным с помощью вейвлет-анализа. Трудности спектрального выделения низкочастотных компонент на данном примере хорошо видны и вейвлет-структура сигнала оказывается более информативной.

В работе рассмотрены основные типичные примеры возникающих при сбоях ситуаций и проведена их сравнительная обработка. Проведенный анализ и сравнение результатов различных подходов показывает возможность использования разработанного метода и созданного на его базе специализированного ПО для анализа ионосферных сигналов системы GPS.

Более того, вейвлет-преобразование, как показано ранее в данной главе, возможно применять даже к сигналам, содержащим кратковременные сбои в данных. Практически это означает сбои до 1-2 мин, в некоторых случаях - до 5 мин. При сбое спектральный анализ без специальной фильтрации сбоя вообще не дает результатов, а вейвлет-спектр содержит правдоподобную информацию о характерных периодиках, действующих в сигнале. Выбор пороговых значений при обработке в этом случае помогает уверенно фильтровать данные от сбоя.

В п. 3.4. сформулированы основные результаты Главы 3.

Все изложенные в данной главе методики реализованы в разработанном при непосредственном участии автора диссертации программном комплексе CRASS (Complex Region Analysis Satellite Signals) GPS - комплексного регионального анализа спутниковых сигналов GPS.

Карта W(a.b)

40 60 80 4мГц 0,5 0,4

Время, мин

Спектры сигналов d[TEC или L1]/dt 2004-9-28 Время 8:30 - 10:30 PRN15 Фильтр 5.0 мин

анализа : agmt 8:30-10:30 PRN15 2004-9-28

Время, ч '

Выделенные вейвлет-анализом структуры d(TEC)/dt agmt 8:30 -10:30 PRN15 2004-9-28

Сигнал d(TEC)/dt для

0.05

Рис. 5. Пример сравнения методик обработки сигналов а) - экспериментальный сигнал, 28.09.2004, 08:30-10:30 UTC, GPS PRN 15, станция agmt; б) - карта коэффициентов W(a,b); в) - результат статистической обработки вейвлет-спектра; г) результаты спектрального анализа исследуемых сигналов.

В Главе 4 рассмотрены основные результаты исследований по 1) детектированию волновых структур, частот их появления, параметров и скорости распространения в зависимости от геомагнитных условий, 2) анализу спектров волновых структур и их изменения в зависимости от геомагнитных условий и 3) исследованиям самой структуры сигнала (т.е. временных квазипериодик в сигнале) при использовании разработанных методов вейвлет- анализа.

В п. 4.1. изложена общая характеристика используемых в работе геофизических данных периода за 2005г., т.е. с 01.01 по 31.12.2005, приведена информация о вспышках на Солнце в XL и XS- диапазонах (ИСЗ GOES), вариациях индексов Кр, Dst и зафиксированных в этот период магнитных бурь. Большая часть этих данные для удобства работы интегрированы в пакет CRASS GPS. Выбор для анализа именно 2005 года имеет несомненную ценность, поскольку позволяет рассмотреть не только крупные и уникальные события, но и сравнить ионосферные эффекты от этих событий с «невозмущенным» состоянием среды. Для детального анализа влияния на ионосферу изменения геомагнитных условий во время активной фазы крупной магнитной бури и для сравнения полученных нами результатов с данными других авторов, мы использовали данные о гигантских магнитных бурях в период октября- ноября 2003 г.

В п. 4.2 приведена общая характеристика наблюдательных GPS подсетей, использованных в работе. В Калифорнии выбрано 25 станций, которые дают 33 триангуляционные ячейки (по критерию - расстояния между станциями менее 50 км), в районе Детройта выбрано 10 станций, образующих 8 измерительных ячеек, а в Европе выбрана сеть из 7 станций в районе Венеции, дающая 5 ячеек

Полный объем анализируемых данных превышает 400 000 часов индивидуальных наблюдений с интервалом 30 сек, более 50 Gb «сырой» информации, что составляет около 800 миллионов (8* 10s) индивидуальных измерений только фазы (!). Для обработки данных такого объема и был создан и специализированный программный комплекс CRASS GPS - автоматического комплексного регионального анализа спутниковых сигналов GPS, в котором реализованы разработки Главы 3.

В работе используются результаты, полученные как при обработке ТЕС, так и при изучении только фазы L1. Результаты, полученные при использовании обоих типов данных, имеют коэффициент корреляции не менее 0.9, поэтому далее при обсуждении не указывается, какой тип данных использован.

Определим параметр волновой активности для данной наблюдательной сети как относительное число квазиволновых структур за некоторый временной период, т.е. как среднее по сети отношение зарегистрированных интерферометром квазиволновых структур к их максимально выделенному числу в пересчете на одну ячейку. Введенный так параметр не зависит от величины сети (количества измерительных ячеек) и потому является объективной

характеристикой, зависящей от географического расположения подсети, местного времени и геомагнитной обстановки.

В п. 4.3. рассмотрены примеры влияния солнечных вспышек и связанных с ними магнитных бурь на волновую активность.

На рис. 6 а) приведена временная зависимость числа детектируемых волновых структур (параметра волновой активности) на всех ячейках наблюдательной подсети (Венеция) с временной дискретизацией 4ч в течение 11— 27 июля 2005г. Виден квазирегулярный дневной ход изучаемого параметра и его резкий всплеск во время вспышки класса XI.5 на Солнце около 11ч 14.07 (показан не в масштабе рисунка). Расположенные на ночной стороне в момент вспышки подсети Калифорнии и Детройта всплеска волновой активности 14.07 не выделяют вообще (рис. 6 б). В указанный период времени геомагнитная обстановка была спокойной (|Оэ1|<40пТ), что значительно упрощает идентификацию отклика на вспышку. Через ~3,5 дня основная масса солнечного коронарного выброса 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 группы вспышек (12-13).09.2005 в максимуме достигавшей класса Х18.

Можно предположить следующие качественные механизмы образования волновых структур, связанных непосредственно с солнечной вспышкой. Источниками таких структур могут быть либо неоднородности самого потока у-излучения во время вспышки, либо неустойчивости ионосферной плазмы, возникающие на краях пятна дополнительной ионизации. Выяснение этих механизмов является самостоятельной задачей и выходит за рамки данной работы.

Полученные нами данные дают возможность получить грубую оценку скоростей распространения выбросов солнечной массы по времени запаздывания всплеска волновой активности в ионосфере Земли. По представленным данным получаем величины средней скорости порядка 400 — 700 км/с, что совпадает с диапазоном скоростей, приведенным в [3]. Анализ спутниковых измерений скорости солнечного ветра в миссии БОНО [18] непосредственно для периода рассмотренного события (14-18).07.2005 г. дает величину средней скорости 518.9+6.3 км/с, наша оценка этой скорости по времени возникновения волновых возмущений составляет 50б±12 км/с, т.е. полученные результаты хорошо согласуются с прямыми измерениями.

При рассмотрении реакции ионосферы на группу солнечных вспышек (0911) сентября 2005 г. (самое крупное событие 2005 г. класса Х18) однозначного всплеска волновой активности, связанного непосредственно с конкретной вспышкой не выявлено. Вместе с тем, реакция волновой активности на

наступившую впоследствии магнитную бурю показательна - она вдвое превышает свои фоновые значения, см. рис. 6 б).

Венеция

а с

о «

а)

Час: Дата

Калифорния

7ТТТТ1

й вспышки. Л

1! И г л л л, Г

Г л А| г Л г ■-у \

1 Л Л к 1 / 1 X

8 1 § I И Н § § 1 Н и 1 Г? И §

88 8 8888888888 8 888888 88 8 <5 ^ 8 8 2' 8' Г С Г ^ ^ Г Г ^ Г Г ^ П Г ® ^ Г Г

Час: Дата

Рис. 6. Влияние солнечных вспышек на изменение волновой активности а) 14.07 по данным интерферометрической подсети в Венеции б) (7-10).09 - в Калифорнии. Области 1 на панелях - данные отсутствуют.

В работе рассмотрены и другие события 2005г, связанные с солнечными вспышками. Получено, что непосредственная связь вспышки с генерацией неоднородных структур отмечается не всегда, однако всегда волновая активность увеличивается в активный период магнитной бури. В п. 4.4. рассмотрены волновые спектры ионосферных неоднородностей, полученные в работе. Как известно, для определения степени турбулизации среды принято использовать

степенные оценки волнового спектра S-k". В случае анизотропной плазмы диапазон оценок параметра а у разных авторов составляет -1...-100 [5,11,15]. Методами GPS- интерферометрии получены для вариаций ТЕС значения диапазона аТЕс= (-2...-4) для средне широтной и тропической ионосферы [11]. Этот параметр варьируется при изменении гелио- и геомагнитных условий и его

отклонения от среднего

Солнечные вспышки ^ j

I.....i.......U......GJ......I.....L..L...U..J.....:..X

—yVyw

Солнечные вспышки

могут служить индикатором возмущенности среды.

Для результатов,

относящихся к подсети Детройта в период (13-22). 07

- см. рис. 7 - виден резкий всплеск исследуемого параметра, достигающий величина -4.5. что в 3,5 раза превышает среднее значение за месяц. На рис. среднее отмечено жирной прямой, пунктирные прямые означают ' выборочную дисперсия вокруг среднего. Этот всплеск можно интерпретировать как отклик

- с запаздыванием 8-12 часов

- на солнечные вспышки, поскольку во время вспышек Детройтская и Калифорнийская подсети находились на ночной стороне. Для Венецианской подсети такое возмущение наступает практически синхронно (см. рис. 4.8.6) с солнечными вспышками. Через 3,5 дня солнечный выброс дошел до Земли и начались магнитные

возмущения, во время которых значения параметра а изменяются в более широких пределах, чем в магнито-спокойные периоды, вдвое превосходя среднее и больше выборочной дисперсии.

Для периода 15-28 января 2005г возмущения в волновой активности и параметре а непосредственно от группы солнечных вспышек не

е s

Рис. 7. Изменения в параметре волнового спектра для подсети Детройта (а) и Венеции (б). Видны отклики ионосферы непосредственно на вспышки и на начавшуюся с 17.07 магнитную бурю.

идентифицируются, но появление возмущений в спектре выделенных структур начинается после начала магнитной бури и продолжается практически весь период восстановления - до 27 января, при этом за период 1В...24 января получаем среднюю величину аср=-4.1 при дисперсии 0.7, в то время как за январь в целом соответствующие величины составили ссср=-3.2 при величине дисперсии 1.1. Приведенные данные показывают, что возникновение reo- и гелио-активности приводит к возмущениям в спектрах неоднородных структур в ионосфере Земли, что совпадает с результатами других исследователей.

Итак, в ходе проведенного анализа данных возникали две ситуации. В первой изменения параметра а практически синхронны со вспышкой на солнце. Во второй реакция непосредственно на вспышку находится на уровне шумов или плохо идентифицируется (например, для вспышки начала сентября - самой сильной в регистрируемых ИСЗ GEOS), даже несмотря на то, что сети в Калифорнии и около Детройта во время вспышки находилась на дневной стороне. Однако влияние выброса коронарной массы и вызванной им магнитных возмущений на ионосферные структуры проявляется в обоих случаях - см. Табл. 4. В активной фазе магнитной бури параметр а также меняется сильнее (имеет большую до 2 раз дисперсию), чем в спокойные периоды, причем такие соотношения справедливы для всех 9 периодов геомагнитной активности с пиковыми возмущениями I Dst! >120пТ в 2005 и октябре-ноябре 2003 г. г. общей длительностью 47 дней.

Результаты анализа, полученные при оценках средней скорости солнечного ветра по различным проявлениям в ионосфере, сведены в Таблицу 4.5. Величины дисперсии оценок по данным мисси SOHO [18] связаны со значительными вариациями скорости солнечного ветра - его порывами при коронарном выбросе массы. Полученные результаты показывают, что предложенная интерпретация связи волновой активности и изменений степенного параметра аппроксимации спектра могут использоваться для оценки средней скорости солнечного ветра. Результаты наших оценок находятся в хорошем согласии с независимыми in situ измерениями.

Таблица 4.5.

Период измерения Скорость выброса коронарной солнечной массы, км/с

Данные ИСЗ SOHO Оценки по

возникновению волновой активности изменению показателя а

(15-20).01 755.4+157.0 - 650+53

(13-14).07 518.9±6.3 506±12 525+12

30.07-08.08 509±57 472±63 464±30

(09-11)09 624+202 - 680+80

В п.4.5 изложены результаты анализа ионосферных возмущений в октябре -ноябре 2003г. Данный вопрос уже освящался в литературе [11] и поэтому полученные нами результаты можно сравнить с результатами других авторов.

Проведенное рассмотрение для региона Калифорнии выявляет наличие двух значительных всплесков волновой активности - около 6 часов 30.10 и около 2 часов 31.10. Эти всплески соответствуют пикам возмущений в уровне Бб! с задержкой 4-6 часов. Аналогичные данные получены и для других подсетей. Поведение параметра степенного спектра а также выявляет несколько пиков. Первый соответствует началу магнитной бури и относится к 12 часам 30.10, остальные - относятся к 2 и 4 ноября. Среднее значение параметра а за октябрь-ноябрь 2003 составляет -1.5 при дисперсии 0.6. Максимальные отклонения на разных фазах бури а составляют от -2.5 до -4.2. Аналогичная ситуация имеет место и для второй, более мощной бури (20-21).11 с Б51= -472 пТ . Наблюдается одиночный всплеск параметра до величины а=-3.2, что более чем вдвое превышает среднее значение а за октябрь- ноябрь.

Таким образом, оба подхода - и по изучению волновой активности, и в целом более чувствительный, связанный с использованием изменения спектрального параметра а, дают сходные и непротиворечивые результаты.

Анализ данных о распределениях скоростей и частоты появления квазиволновых ионосферных структур показывает, что магнитные бури приводят к перестройке распределений размеров этих структур в диапазоне 20-60 минут, т.е. в магнитоактивные периоды уверенно регистрируются именно крупные ионосферные возмущения с пространственными размерами в диапазоне 1000 ... 3000 км. Проведенный детальный анализ распределений скоростей показывает, что в магнитоактивные дни скорости движения структур зависят от направления перемещения и возрастают почти вдвое по сравнению с магнитоспокойними периодами того же месяца. Например, если в спокойные дни средние значения скорости составляют 250-350 м/с при дисперсии 50 м/с, то во время бури величины средних скоростей по секторам анализа варьируются от 500 до 1600 м/с при дисперсии 250м/с. Эти данные в целом согласуются с результатами, приведенным в [11] - они объясняют большие приводимые в литературе значения дисперсии оценок скорости, достигающие в среднем 45%. В случае геомагнитных возмущений характеристики структур быстро меняются, поэтому оценка дисперсии изменений за день оказывается весьма большой. Итак, используемые методики дают результаты, в целом сходные с данными других авторов.

Исследованиям влияния геомагнитных условий на саму структуру СРБ-сигналов посвящен п. 4.6. работы. Под «периодиках в сигнале» здесь под сигналом понимается сами первичные данные о производной ТЕС или фазы.

В самом деле, исходя из полученных результатов можно ожидать, что в случае внешних возмущений должна изменяться сама структура GPS-сигналов, непосредственно принимаемых на наблюдательных станциях. Разработанный метод вейвлет-анализа сигналов системы GPS (см. Главу 3) позволил одновременно с детектированием волновых структур в автоматическом режиме анализировать сами сигналы и изменения их спектральной структуры. Спектральный подход, реализованный нами для произвольных длин экспериментальных серий, в этом случае дает менее надежные результаты при выделении низкочастотных компонент спектра.

Именно развитыми в работе методами статистической обработки вейвлет-спектров зафиксировано, что при изменении волновой активности изменяется спектр самого принимаемого сигнала. Запаздывание в развитии возмущений, выделяемых на разных сетях, составляет около 8-12 часов.

Например, в спокойный день 09.08, когда события от вспышки 14.07 и магнитного возмущения (17-18).07 уже окончились, а величина Dst слабо менялась от -20 до -5 пТ), степенная аппроксимация спектра возможна для всего дня и значения показателя степени по временным периодам не сильно различаются - среднее за день значение а составляет -2.51 при величине дисперсии 0.32 (для сравнения, среднее за август а=-3.38 при дисперсии своей величины 1.21). Между тем, Венецианская сеть отмечает изменения в периодиках

в сигнале практически сразу после солнечной вспышки 14.07.2005. На графиках рис. 8

представлены изменения в частоте появления

спектральных составляющих ТЕС на всех станциях Венецианской подсети для всех участвующих в обработке спутников.

Объемы используемых данных таковы, что все пики более 1% на графике статистически значимы.

Наш анализ показывает, что практически синхронно со вспышкой изменяется структура сигналов на Вененецианской подсети - в них возникают нарушения степенного убывания спектра сигнала. Периодики возмущений в

Venice 14.07,2005

0-4b 8 ■ 12h 12-16h 16 - 20h 20 - 2th

Б0 80 100 Period, min

Рис. 8.

сигнале отмечаются в интервалах 12-16 и 16-20 часов с некоторым уменьшением их интенсивности в период 20-24ч. Величины выделяемых периодик в самом сигнале составляют 20 -40 и 80 - 100 мин, что в целом соответствует данным для волновых структур для магнитоактивных дней. Перестройки спектра регистрируемых сигналов проходят в течение всего магнитного возмущения и ни о какой аппроксимации степенным законом здесь речь идти просто не может.

Аналогичное поведение отмечено для всех обработанных событий 2005г., связанных с солнечной активностью и во время развитых магнитных бурь с

¡0з1|>150 пТ. Примером этого также может служить самая крупная по величине Бэ! буря 19-20 ноября 2003г. К ее уникальности относится то, что во время ее развития солнечная активность была близка к фоновой, что упрощают интерпретацию наблюдаемых структур. В случае этой бури ни о каких степенных законах

аппроксимации спектра речи вообще нет - см. рис. 9. Более того, возникают очень сильные периодики в районе свыше 80 - 100 мин. Приведенные спектральные оценки выполнены с помощью вейвлет - анализа, поскольку классическое спектральное Фурье- оценивание не в состоянии получить корректные данные для таких периодик, подробнее - см. Главу 3. Напомним, что одновременно с изменением в структуре ионосферных вРЗ сигналов в развитых фазах магнитной бури увеличивается скорость волновых структур - с 600 до 1500 м/с.

Отмеченные особенности изменения спектров дают возможность оценивать изменение волновой активности не только по интерферометрическим данным, которые требуют специальных методов детектирования и обработки, но и непосредственно по самому принимаемому сигналу.

В п. 4.7. подведены краткие итоги Главы 4.

В Заключении приведены основные результаты и выводы работы.

California 20.11.2003

О-4/1 4-8h

8-т 12 - т 16-20!) 20 - 24k

50 80 100 120 Period, min

Рис. 9.

Предложен практический критерий определения порогового уровня детектирования наличия гармоники в реальном сигнале системы GPS.

2. Для выделения волновых возмущений в ионосфере радио интерферометрическим способом предложено также использовать только фазовые измерения на частоте GPS L1. Метод обладает большей областью применимости по сравнению с использованием только данных о ТЕС, ибо не связан с измерениями сигналов на частоте L2 и дает результаты, сходные с данными по ТЕС.

3. При непосредственном участии автора создано оригинальное программное обеспечение - пакет CRASS (Complex Region Analysis Satellite Signals) GPS для комплексного регионального анализа спутниковых сигналов.

4. В результате проведенного анализа данных сети IGS с использованием созданного ПО для наблюдательных сетей в районах Венеции, Детройта и Тихоокеанского побережья Калифорнии в период всего 2005г. и октября-ноября 2003 г. получено, что солнечные вспышки могут непосредственно приводить к росту параметра волновой активности и изменению параметра степенной аппроксимации волнового спектра в два и более раза. Аналогичные эффекты наблюдаются во время магнитных бурь с возмущениями I Dstl >120пТ.

5. Впервые для оценки средней скорости коронарных выбросов солнечной массы при вспышках использовано возникновение волновой активности или изменение параметра степенной аппроксимации волнового спектра выделенных неоднородностей в ионосфере. Сравнение с независимыми данными измерений скорости солнечного ветра на ИСЗ SOHO показывает согласие полученных нами численных значений оценки средней скорости с in situ экспериментами.

6. Исследовано развитие во времени спектров ионосферных возмущений, регистрируемых во время гигантских магнитных бурь октября-ноября 2003 г. Показано, что в течение нескольких часов после возникновения геомагнитного возмущения возникает сильные изменения спектра периодов квазиволновых ионосферных структур в области 20...40 и 80... 100 мин.

7. Выявлены характерные особенности изменения спектральной структуры самих регистрируемых сигналов системы GPS, что дает возможность оценивать изменение волновой активности не только по интерферометрическим данным, которые требуют специальных методов детектирования и обработки, но и непосредственно по указанным изменениям.

Приложение содержит общие сведения о возможностях базового варианта программного комплекса KPACC-GPS (CRASS-GPS) - инструмента для Комплексного Регионального Анализа Спутниковых Сигналов (Complex Region Analysis of Satellite Signals) навигационной системы GPS.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Захаров В.И., Зиенко А.С., Кожарин М.А., Константинов Э.М., Куницын В.Е. Радиозатменная и томографическая диагностика атмосферы на базе навигационной системы GPS. // Труды XX Всероссийской конференции по распространению радиоволн. Нижний Новгород, 2-4 июля 2002 г. НИРФИ,

с. 166.

2. Захаров В.И., Куницын В.Е., Зиенко А.С. Методика обработки сигналов навигационной системы GPS для детектирования волновых возмущений в ионосфере. // Сб. трудов XXI Всероссийской науч. конф. "Распространение радиоволн", Йошкар-Ола, 25-27 мая 2005 г., т.1, стр. 243-247

3. Захаров В.И., Зиенко А.С. Методика статистического анализа вейвлет-спектров ионосферных сигналов системы GPS. // Всеросс. Научн. Конф. «Ломоносовские чтения», секц. Физика. 17-27 апреля 2006г. стр. 211-214.

4. Захаров В.И., Зиенко А.С. Метод статистического анализа вейвлет-спектров ионосферных сигналов системы GPS. // Вестник МГУ, сер.З - Физика, Астрономия. 2007. N2. С. 44-49.

5. Zakharov V.I, Zienko A.S. The statistical analysis of the wavelet spectrums for ionospheric GPS signals. // XIII Int. Symp. Atmospheric and Ocean optics. Atmospheric Physics. Tomsk. July 2-6, 2006. p. 82.

6. Захаров В.И., Куницын В.Е., Зиенко А.С., Падохин A.M., Леонтьева Е.А. Сравнение ошибок контактного и радиозатменного методов определения метеопараметров. // Эл.магн. волны и электронные системы. 2007. т. 12. N 8.

с. 41-46.

7. Зиенко А.С. Исследования структур ионосферных сигналов методами радиоинтерферометрии, спектрального и вейвлет- анализа. // Труды Международ. Науч. Конф. «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» ИРЭМВ-2007. Таганрог, 25-30 июня 2007. т.2. с. 86-90

8. Zakharov V. 1. and Zienko A. S. A Method for Statistical Wavelet Analysis of Ionospheric GPS Signals // Moscow University Physics Bulletin, 2007, Vol. 62, No. 2, pp. 108-112. © Allerton Press, Inc., 2007. ISSN 0027-1349.

9. Захаров В.И., Зиенко А.С. Структуры ионосферных сигн&чов, выделеных методами GPS- радиоинтерферометрии. //' Труды школы-семинара "Волны-2008". 21-26 мая 2008г. Ч. 5. М., МГУ. С. 87-92

10. Захаров В.И, Зиенко А.С., Куницын В.Е. Распространение радио сигналов GPS при различной солнечной активности. // Эл.магн. волны и электронные системы. 2008. N 8. с. 51-57.

Цитированная литература.

1. Акасофу С.И., Чепмен С. Солнечно-земная физика. Т. 1. —М.: Мир, 1975. 512 с.

2. Митра А. Воздействие солнечных вспышек на ионосферу Земли. М: Мир, 1977. 370 с.

3. Тверской Б. А. Основы теоретической космофизики. Избранные труды. М., УРСС, 2004. 376 с.

4. Рэдклиф Дж. Введение в физику ионосферы и магнитосферы. «Мир». 1975.

5. Госсард Э., Хук У. Волны в атмосфере, «Мир». 1975. 532 с.

6. Гершман Б.Н., Ерухимов A.M., Яшин Ю.Я. Волновые явления в ионосфере и космической плазме. - М.: Наука, 1984. 392 с

7. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. — М.: Наука, 1988. 528 с.

8. Koskinen Н., Tanskanen R., Pirjola Е., Pulkkinen A., et all, Space Weather effects catalogue. ESWS-FMI-RP-0001. Iss. 2.2. 2001,41 p.

9. Гусев В.Д., и др. Структура и движения крупномасштабных неоднороднос-тей в ионосферном слое F2. // ДАН СССР, 1958. т. 128. N 5. С- 804 - 820.

10. Hoffman-Wellenhof, В., Lightenegger, Н. & Collins, J., 1998. GPS Theory and Practice. Springer-Verlag, Vienna New York, 4th ed.

11. Афраймович Э Л., Перевалова Н.П. GPS- мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск, СО РАМН. 2006. 480с.

12. М. Hernandez-Pajares, J. М. Juan, and J. Sanz Medium-scale travelling ionospheric disturbances affecting GPS measurements: Spatial and temporal analysis. //Jour. Geophys. Res, 2006. V. 111, A07S11, doi:l0.1029/2005JA011474. 13p.

13. J. L. Garrison, S.-C. G. Lee, J. S. Haase, and E. Calais A method for detecting ionospheric disturbances and estimating their propagation speed and direction using a large GPS network //Rad. Sci, 2007. v. 42, RS6011, doi:l 0.1029/2007 RS003657. 21 p.

14. Куницын B E., Терещенко Е.Д., Андреева E.C. Радиотомография ионосферы. M., Физматлит, 2007. 336 с.

15. Суини А.Л., Терещенко В.Д., Терещенко Е.Д., Худукон Б.З. Некогерентное рассеяние радиоволн в высоких широтах. АН СССР., Апатиты. 1989. 184 с.

16. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. М., Мир, 1989. 448 с.

17. Чуй К. Введение в вэйвлеты. М., Мир, 2001, 412 с.

18. http://sohowww.nascom. nasa.gov/data/data.html

Подписано в печать 10 ноября 2008 г.

Формат 60x90/] 6

Объём 1,5 п.л.

Тираж 100 экз.

Заказ № 181108174

Оттиражировано на ризографе в ООО «УниверПринт» ИНН/КПП 7728572912\772801001

Адрес: 117292, г. Москва, ул. Дмитрия Ульянова, д. S, кор. 2. Тел. 740-76-47, 125-22-73." http://mvw.uni veiprint.ru

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Зиенко, Андрей Станиславович

Введение.

Глава 1. Неоднородныектуры в ионосфере.

1.1. Параметры ионосферных неоднородностей.

1.2. Механизмы формирования неоднородностей.

1.3. Акустико-гравитационные волны как причинаионосферных возмущений.

1.4. Классификации неоднородных структур в ионосфере.

Глава 2. GPS- интерферометрия как развитие методик диагностики неоднородностей ионосферы.

2.1. Методы дистанционной диагностики ионосферы.

2.2. Влияние ионосферных неоднородностей на распространение спутниковых сигналов.

2.3. Использование сигналов GPS для исследования ионосферы.

2.4. Определение параметров ПИВ при использовании GPS- данных.

ГЛАВА 3. Анализ вейвлет-спектров сигналов системы GPS.

3.1. Вейвлет-спектры временных последовательностей.

3.2. Исследование статистического подхода и его характеристик при анализе вейвлст-спектров.

3.3. Применение вейвлет-анализа к данным GPS.

3.4. Основные результаты Главы 3.

Глава 4. Основные результаты исследований.

4.1. Общая характеристика используемых геофизических данных.

4.2. Общая характеристика наблюдательных GPS подсетей.

4.3. Влияние геомагнитных условий на волновую активность.

4.4. Волновой спектр ионосферных неоднородностей.

4.5. Анализ ионосферных возмущений в октябре - ноябре 2003г.

4.6. Влияние геомагнитных условий на структуру GPS- сигналов.

4.7. Краткие итоги главы 4.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследования возмущений ионосферы методами GPS-интерферометрии"

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 ПИВах 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:

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 8 эффекты наблюдаются во время геомагнитных возмущений с амплитудой I Dst] >120пТ.

3. 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.

По теме диссертации опубликовано 10 работ в отечественных и зарубеленых изданиях.

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 содержитстраниц текста,рисунков.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Зиенко, Андрей Станиславович

Основные результаты данной работы условно делятся на :

1) методические, направленные на совершенствование способов обработки спутниковой информации,

2) результаты, связанные с реализацией предложенных методов анализа в конкретном созданном пакете прикладных программ - CRASS GPS и

3) результаты, полученные непосредственно в ходе обработки и геофизического анализа обширного экспериментального материала.

Итак, в работе

1. Предложена методика статистической обработки вейвлет-спектров сложных сигналов и исследованы ее возможности. В сравнении со спектральной, вейвлет-обработка сигнала имеет преимущества в низкочастотной части спектра. Предложен практический критерий определения порогового уровня детектирования наличия гармоники в реальном сигнале системы GPS.

5. Впервые для оценки средней скорости коронарных выбросов солнечной массы при вспышках использованы возникновение волновой активности или изменение параметра степенной аппроксимации волнового спектра выделенных квазиволновых ионосферных структур. Сравнение с независимыми данными измерений скорости солнечного ветра на ИСЗ SOHO показывает согласие полученных нами численных значений оценки средней скорости с in situ экспериментами.

6. Исследовано развитие во времени спектров ионосферных возмущений, регистрируемых во время гигантских магнитных бурь тжтября-ноября 2003 г. Показано, что в течение нескольких часов после возникновения геомагнитного возмущения возникает сильные изменения спектра периодов квазиволновых ионосферных структур в области 20.40 и 80. 100 мин.

Заключение.

Как уже отмечалось, наличие неоднородных структур в атмосфере и ионосфере Земли является типичным состоянием этих сред и связано не только с внутренними процессами в них, но и с явлениями, протекающими в околоземном космическом пространстве (так называемой космической погоды).

Появление в среде неоднородных структур приводит к изменению условий распространения радиоволн, используемых для исследовательских, связных, радиолокационных, радиоастрономических, навигационных и др. приложений. Изучая характеристики параметров зондирующих трансионосферных сигналов возможно, в принципе, изучать состояние атмосферы и ионосферы, а изменение количества регистрируемых феноменов может быть индикатором ряда процессов естественного и антропогенного происхождения.

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. Между тем, механизмы образования и свойства этих структур изучены и теоретически, и экспериментально явно недостаточно, а интерпретация наблюдаемой крайне сложной интерференционной картины и полученных результатов неоднозначна в связи с комплексностью указанной проблемы.

Таким образом, исследование структуры и динамики перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ) квазиволнового типа является актуальной задачей физики атмосферы Земли и радиофизики, поскольку эти возмущения являются проявлением атмосферных акустико-гравитационных волн (АГВ), дающих существенный вклад в общую динамику и энергетику верхней атмосферы [7, 14].

В этой связи, основной целью данной работы являлось исследование волновой активности (частот появления и параметров возмущений), регистрируемой в ионосфере дифференциальными методами по данным полного электронного содержания на основе GPS — радио интерференометрии.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Зиенко, Андрей Станиславович, Москва

1. Рэдклиф Дж. Введение в физику ионосферы и магнитосферы. «Мир». 1975.

2. Mounir Н., Cerisier J.G., Berthelier A. The small-scale turbulent structure of the high latitude Ionosphere : ARGAD-AUREOL-3 observation. // Ann. Geophysicae. 1991.V.9.N 11. p. 723 -737.

3. Aono Y., Hirao K., Miyazaki S. Rocket observation of Ion density in the ionosphere //J. Rad. Res. Lab., 1961. v.8. N 40. p. 441 -451.

4. Baker K.D., LaBelle J., Pfaff R.F. Absolute electron density measurements in the equatorial ionosphere. // J. Atmos. Terr. Phys., 1985. N 8 10. p. 781 - 789.

5. Суини А.Л., Терещенко В.Д., Терещенко Е.Д., Худукон Б.З. Некогерентное рассеяние радиоволн в высоких широтах. АН СССР., Апатиты. 1989. 184 с.

6. Pi, X., A. J. Mannucci, U. J. Lindgwister, С. М. Но, Monitoring of global ionospheric irregularities using the woldwide GPS network // J. Geophys. Res. Lett. 1997. v. 24. p. 2283-2286.

7. Галинов А.В., Куницын В.Е., Терещенко Е.Д. Томографический подход к исследованию случайных неоднородностей ионосферы. // Геомагнетиз. и аэроном., 1991. т. 31. N 3. с. 446 453.

8. Ерухимов Л.М., Косолапенко В.И., Муравьёв Н.В. О форме спектранеоднородностей высокоширотной ионосферы. // Геомагн. и аэрономия, 1990. т. 30. N 6. с. 948 -953.

9. Kelley, М.С., The Earth's Ionosphere, Academic Press, 1989, 480 p.

10. Kelley, M.C., K.D. Baker, J.L. Ulwick, C.L. Rino, M.J. Baron, Simultanous Rocket

11. Probe Scintillation and Incoherent Scatter Radar Observations of Irregularities in the Auroral Zone Ionosphere// Radio Science, 15, 491, 1980.

12. Куницын B.E., Терещенко Е.Д., Андреева E.C. Радиотомография ионосферы. М., Физматлит, 2007. 336 с.

13. Singh М. , Rodrigues Р. , Szuscsewicz Е. P. Spectral classification of medium scale high-latitude F region plasma density irregularities. // J. Geophys. Res. 1985. A 90. N 7. p. 6525 6532.

14. Jacobsen A.R., Carlos R.C., Massey R.S., Wu G., Observations of traveling ionospheric disturbances with a satellite beacon radio interferometer : Seasonal and local time behavior. J. Geophes. Res., 1995. v. 100. p.p. 1653 - 1665.

15. Aarons J., Foster J.G., Rodger A.S. Auroral and sub-auroral F-layer Irregularitiesand high plasma convection during the magnetically active periods. // Ann. Geophyslcae. 1991. v.9. N 9. p. 614 627.

16. Lilensten J., Thulllier G., Lathuillere G. EISOAT MICADO coordinated measurements of meridional wind. // Ann. Geophysicae 1992. v. 10. N 8. p. 603 -618.

17. Евтушенко A.M., Малиневский Г.П., Романовский Ю.А. Стратификация бариевых облаков в ионосфере по телевизионным наблюдениям. // Геомагн. и аэроном., 1992. т. 32. с. 343.

18. Mercier С. Observations of atmospheric gravity waves by radiointerferometry. J. Atmos. Terr. Phys. 1986. V. 48, N 7. P. 605 624.

19. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS- мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск, СО РАМН. 2006. 480с.

20. Hernandez-Pajares М., J.M. Juan, J.Sanz Characterization ofMedium Scale TIDs at mid latitudes // International Beacon Satellite Symposium 2004. Trieste, Italy. Oct. 18-24 2004.

21. Spoelstra T.A. Th. Correcting refraction in radio astronom; Publ. Astr. Ops. Beograd. 1987. N 35. p. 213.

22. Kelley, M.C., K.D. Baker, J.L. Ulwick, C.L. Rino, M.J. Baron, Simultanous Rocket

23. Крейн P.K. Мерцания радиосигналов в ионосфере. // ТИИЭР, 1977, т.65, №2,с.5-29.

24. Митра А. Воздействие солнечных вспышек на ионосферу Земли. М: Мир,1977. 370 с.

25. Гершман Б.Н., Ерухимов A.M., Яшин Ю.Я. Волновые явления в ионосфере икосмической плазме. М.: Наука, 1984. 392 с

26. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. —М.: Наука, 1988. 528 с.

27. Акасофу С.И., Чепмен С. Солнечно-земная физика. Т. 1.-М.: Мир, 1975. 512 с.

28. Альперт Я.Л. Распространение электромагнитных волн и ионосфера. — М.: Наука, 1972. 564 с.

29. Физика верхней атмосферы. Под ред. Дж.А.Радклифа. М.: ГИ Физматлит, 1963. 504 с.

30. Гершман В.Н. Динамика ионосферной плазмы. М.: Наука. 1974. 256 с.

31. Тверской Б.А. Основы теоретической космофизики. Избранные труды. М., УРСС, 2004. 376 с.

32. Klobuchar, J.A., Ionospheric effects on GPS. 1991. GPS World, 2(4),48-51.

33. Носке, K., Schlegel, K. A review of atmospheric gravity waves and traveling ionospheric disturbances: 1982 1995. // Ann. Geophysicae, 1996. 14. p.917 - 940.

34. National Space Weather Program. The Implementation Plan. 1997. Washington, DC. http://www.ofcm.gov/nswp-ip/text/cover.htm.

35. Koskinen H., Tanskanen R., Pirjola E., Pulkkinen A., et all, Space Weather effectscatalogue. ESWS-FMI-RP-0001. Iss. 2.2. 2001, 41 p.39. http://arc.iki.rssi.ru/sw.html

36. Гаврилов H.M. Распространение внутренних гравитационных волн встратифицированной атмосфере. Изв. АН СССР. ФАО. 1985. 21. 921 927.

37. Физика верхней атмосферы. Под ред. Дж. Рэтклиффа. М., ФизМатЛит, 1963.504 с.

38. Ришбет Г., Гарриот К. Введение в физику ионосферы. ГидрометеоИздат. 1975.

39. Госсард Э., Хук У. Волны в атмосфере. «Мир». 1975. 532 с.

40. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. «Мир». 1973. 502 с.

41. Francis S.H. Global propagation of atmospheric gravity waves: a review// J. Atmos.

42. Terr. Phys. 1975. 37. 1011 1054.

43. Ахмедов P.P., Куницын B.E. Моделирование ионосферных возмущений, вызванных землетрясениями и взрывами// Геомагнетизм и аэрономия. 2004. Т. 44. № 1. С. 1-8.

44. Fritts D.C., Alexander M.J. Gravity wave dynamics and effects in the middle atmosphere// Reviews of geophysics. 2003. V. 41. N. 1. 1-64.

45. Holton J.R., Beres J.H., Zhou X. On the vertical scale of gravity waves excited bylocalized thermal forcing//Notes and correspondence. 2002. 2019-2023.

46. Sauli P., Boska J. Tropospheric events and possible related gravity wave activity effects on the ionosphere// J. Atmos. Sol-Terr. Phys. 2001. 63. 945 950.

47. Staquet C., Sommeria J. Internal Gravity Waves: From Instabilities to Turbulence// Ann. Rev. Fluid Mech. 2002, V.34. P.559-593.

48. Mayr H.G., Hams F.A., Herrero F.A., Spencer N.W., Varosi F., Pesnell W.D. Thermospheric gravity waves: observations and interpretation using the transfer function model (ТЕМ)// Space Sci. Rev. 1990. 54. 297 375.

49. Миропольский Ю.З. Динамика внутренних гравитационных волн в океане. Д., 1981.

50. Walker G.O., Wong Y.W., Ma J.H.K., Kikuchi, Т., Nozaki, К., Propagating ionospheric waves observed throughout east Asia during the WAGS October 1985 campaign. // Radio Sci. 1988. v. 23. p. 867-878.

51. Bowman G.G., Some aspects of large-scale traveling ionospheric disturbances, Planet. Space Sci., 40, 1992, p.829-845.

52. Rice D.D., Hunsucker R.D., Lanzerotti L.J., Crowley G., Williams P.J.S., Craven J.D., Frank L. An observation of atmospheric gravity wave cause and effect during the October 1985 WAGS campaign // Radio Sci. 1988. v.22. p. 919-930.

53. Oliver W.L., Otsuka Y., Sato M., Takami Т., Fukao S. A climatology of F region gravity waves propagation over the middle and upper atmosphere radar // J. Geophys. Res. 1997. - V. 102, N 7. - P. 14449-14512.

54. Кащеев Б.Л., Олейников A.H., Томашевская Т.Б., Особенности высотной структуры внутренних гравитационных волн в метеорной зоне: Сб. ст. // Метеорные исследования. 1985. №10. с. 5-10.

55. В. В. Беликович, Е. А. Бенедиктов, А. В. Толмачева, Н. В. Бахметьева. Исследование ионосферы с помощью искусственных периодических неоднородностей. Н. Новгород : Изд-во ИПФ РАН, 1999. 153 с.136 с

56. Андреева Е.С, Гохберг М.Б., Куницын В.Е., Терещенко Е.Д., Худукон Б.З., Шалимов С.А. Радиотомографическая регистрация возмущений ионосферы от наземных взрывов // Косм, исслед. 2001. т. 39, № I.e. 13-17.

57. Гохберг М.Б., Шалимов С.А. Воздействие землетрясений и взрывов на ионосферу. 2004. М.: Изд-во ИФЗ СО РАН. 224 с.

58. Hammer P.R., Bourne J.A. A high resolution ionosonde PI and PII. // J. Atmos. Terr. Phys., 1976. v 38. p. 935-943, 945-956.

59. Wright J.W., Paul A.K. Toward global monitoring of the ionosphere in real time by a modern ionosonde network: The geophi-sical requirements and technological opportunity.//NOAA Spec. Rep. Boulder, Colorado, 1981.

60. Мисюра B.A., Мартыненко С.И., Черногор Л.Ф. Роль нелинейных эффектов в методе HP // Кекогерентное рассеяние радиоволн. Апатиты, 1980. с. 57 65.

61. Whitehead. The future of coherent radars in the study of E-region irregularities. //Ann. Geophysicae. 1992. v. 10. N 5., p. 278 280.

62. Hanulse C., Villain J.P., Gressilon D. Interpretation of HP ionospheric Doppler spektraby collective wave scattering theori. // Ann. Geophysicae. 1993. v.ll. N 1. p. 29 39.

63. Рытов О.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику. Ч. 2. Случайные поля. М.:Наука. 1978. с. 463.

64. Foster J.C., Kunitsyn V.E., Tereshchenko E.D., et al., Russian-American Tomography Experiment // Int. Journ. Imaging Syst. Techn., 1994, V. 5, N 2, P. 148-159.

65. Gunter W. RINEX : The Receiver Independent Exchange Format version 2. 1993. или http://igscb.ipl.nasa.gov:80/igscb/data/format/rinex2.txt.

66. Briggs B.H., Phillips G. Y. A study of the horizontal irregularities of the, ionosphere // Proc. Phys. Soc. 1950. - V. B63. - P. 907.

67. Казимировский Э. С, Кокоуров В.Д. Движения в ионосфере. Новосибирск: Наука, 1979. 344 с.

68. Afraimovich E.L. Statistical angle-of-arrival and doppler method (SADM) fordetermining characteristics of the dynamics of the transionospheric radio signal interference pattern //Acta Geod. Geophys. Hung. 1997. V.32, N3-4. P. 461-468

69. Захаров В.И.,Куницын B.E., Зиенко A.C., Падохин A.M., Леонтьева Е.А. Сравнение ошибок контактного и радиозатменного методов определения метеопараметров. // Эл.магн. волны и электронные системы. 2007. т. 12. N 8. с. 41-46.

70. Klobuchar J.A. Ionospheric time-delay algorithm for single-frequency GPS users // IEEE Transactions on Aerospace and Electronics System. 1986. V. 23, N3. -P. 325-331.

71. Скворцов А. В. Алгоритмы построения триангуляции с ограничениями. // Вычислительные методы и программирование, 2002, т. 3, N 1, с. 82-92.

72. Ласло М. Вычислительная геометрия и компьютерная графика па С++ / Пер. с англ. М.: БИНОМ, 1997. 304 с.

73. К. Чуй. Введение в вэйвлеты. М., Мир, 2001, 412 с.

74. И. Добеши. Десять лекций по вейвлетам. Москва, 2001, 464 с

75. Mallat S. A theory for multiresolutional signal decomposition: the wavelet representation. IEEE Trans. Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1989, N7, p.674-693.

76. Астафьева H.M. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения. // УФН, 1996. т. 166. N 11. 1145-1170.

77. Дремин И.М., Иванов О.В., Нечитайло В.А. Вейвлеты и их использование. //УФН, 2001. т. 171. N5. 465-501.

78. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. М.,.Мир, 1989. 540 с.

79. Марпл-мл. C.JI. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М., Мир, 1990. 584 с.

80. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. М., Мир, 1989. 448 с.

81. Winograd S. On computing the discrete Fourier transform. // Math. Сотр. 1978. v. 32. p. 175-199.

82. В.И.Захаров, А.С Зиенко Методика статистического анализа вейвлет-спектров ионосферных сигналов системы GPS. // Всеросс. Научн. Конф. «Ломоносовские чтения», секц. Физика. 17-27 апреля 2006г. стр. 211-214.

83. Захаров В.И., Зиенко А.С. Метод статистического анализа вейвлет-спектров ионосферных сигналов системы GPS. // Вестник МГУ, сер.З Физика, Астрономия. 2007. N2. С. 44-49.

84. Zakharov V.I, Zienko A.S. The statistical analysis of the wavelet spectrums for ionospheric GPS signals. // XIII Int. Symp. Atmospheric and Ocean optics. Atmospheric Physics. July 2 6 2006 Tomsk, p. 82.

85. Aarons J., Mendillo M., Yantosca R. GPS phase fluctuations in the equatorial region during sunspot minimum // Radio Sci. 1997. V. 32. p. 1535 1550.

86. Aarons J., Lin B. Development of high latitude phase fluctuations during the January 10, April 10 11, and May 15, 1997 magnetic storms // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 1999. V. 61. p. 309 - 327.

87. Алимов B.A., Рахлин A.B. Ионосферные сцинтилляции радиосигналов // Горький: Ротапринт НИРФИ. 1979. Препринт N 132. 52 с.

88. Afraimovich E.L., Palamartchouk K.S., Perevalova N.P. GPS radio interferometry of travelling ionospheric disturbances // J. Atm. Terr. Phys. 1998. V. 60. N 12. p. 1205 1223.

89. Bhattacharrya A., Beach T.L., Basu S., Kintner P.M. Nighttime equatorial ionosphere: GPS scintillations and differential carrier phase fluctuations // Radio Sci. 2000. V. 35. p. 209 224.

90. Davies K., Hartmann G.K. Studying the ionosphere with the Global Positioning System // Radio Sci. 1997. v. 32. p. 1695 1703.

91. Hajkowicz L.A. Hunsucker R.D. A simultaneous observation of large-scale periodic TIDs in both hemispheres following an onset of auroral disturbances // Planet Space Sci. 1987. v. 35. p. 785-791.

92. Rice D.D., Hunsucker R.D., Lanzerotti L.J., Crowley G., Williams P.J.S., Craven J.D., Frank L. An observation of atmospheric gravity wave cause and effect during the October 1985 WAGS campaign // Radio Sci. 1988. v.22. p. 919-930.

93. Hunsucker R.D. Atmospheric gravity waves generated in the high-latitude ionosphere. A review// Rev. of Geophys. 1982. v. 20, N 2. p. 293-315.

94. Hall G.E., Cecile J.-F., MacDougall J.W., St.-Maurice J.P., Moorcroft D.R. Finding gravity wave source positions using the Super Dual Auroral Radar Network//J. Geophys. Res. 1999. v. 104, NA1. p. 67-78.

95. Afraimovich E.L., Kosogorov E.A., Lesyuta O.S. Ionospheric effects of the August 11, 1999 total solar eclipse as deduced from European GPS network data // Adv. Space Res. 2001. v. 27, N6-7. p. 1351-1354.

96. Афраймович Э.Л., Лесюта O.C. Одновременный отклик среднеширотной ионосферы на внезапное начало сильных магнитных бурь // Космич. исслед. 2003. т. 41, №2. с. 120-128.

97. Афраймович Э.Л., Косогоров Е.А, Лесюта О.С. Ионосферный отклик полного солнечного затмения 11.08.1999 по данным европейской сети GPS // Геомагнетизм и аэрономия. 2001. т. 41, №4. с. 495-502.

98. Афраймович Э.Л., Живетьев И.В., Бузевич А.В. Крупномасштабные перемещающиеся ионосферные возмущения во время магнитной бури 29 — 30 октября 2003 г. по данным камчатской сети станций GPS // Геомагнетизм и аэрономия. 2005. т. 45, №1. с. 123-126.

99. Зиенко А.С. Исследования структур ионосферных сигналов методами радиоинтерферометрии, спектрального и вейвлет- анализа. // Труды Международ. Науч. Конф. «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» ИРЭМВ-2007. Таганрог, 25-30 июня 2007. т.2. с. 86-94

100. В.И.Захаров, А.С. Зиенко Структуры ионосферных сигналов, выделеных методами GPS- радиоинтерферометрии. // Труды школы-семинара "Волны-2008". 21-26 мая 2008г. Ч. 5. М., МГУ. С. 87-92

101. В.И.Захаров, А.С. Зиенко, В.Е. Куницын Распространение радио сигналов GPS при различной солнечной активности. // Эл.магн. волны и электронные системы. 2008. N 8. с. 51-57.117. http://sohowww.nascom.nasa.gov/data/data.html

Информация о работе

Зиенко, Андрей Станиславович
кандидата физико-математических наук
Москва, 2008
ВАК 25.00.29

Диссертация

Исследования возмущений ионосферы методами GPS-интерферометрии - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы