Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Коррекция модели ионосферы по данным спутникового радиозондирования со сверхнизких орбит

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Коррекция модели ионосферы по данным спутникового радиозондирования со сверхнизких орбит"

На правах рукописи УДК 550.388 2

Азизбаев Михаил Ринатович

КОРРЕКЦИЯ МОДЕЛИ ИОНОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОГО РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ СО СВЕРХНИЗКИХ ОРБИТ

Специальность 25 00.29 - физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

№1111111! 11111111111

□ОЗ 1 "75266

Москва - 2007

Работа выполнена в Институте прикладной геофизики имени академика Е К Федорова

Научные руководители

доктор физико-математических наук, профессор Данилкин Николай Петрович

кандидат технических наук Котонаева Надежда Геннадьевна Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Ружин Юрий Яковлевич кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Алпатов Виктор Владимирович

Ведущая организация:

Южный федеральный Университет

Защита диссертации состоится « 8 » ноября 2007 г в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 327.008.01 в Институте прикладной геофизики имени академика Е. К Федорова по адресу: 129128, г Москва, Ростокинская ул , д. 9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной геофизики имени академика Е. К Федорова Автореферат разослан « 8 » октября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета Д 327.008 01

кандидат физико-математических наук

Общая характеристика работы Актуальность работы

В настоящее время радиозондирование (проводимое с наземных ионосферных станций и при помощи ионозондов на борту космических аппаратов) является методом, позволяющим эффективно проводить мониторинг состояния ионосферы Инструментом этого мониторинга является оперативная адаптация эмпирических моделей ионосферы по данным, представляемым ионозондами наземного и космического базирования

Результатом такой адаптации может быть создание карт, например, критической частоты слоя Т?2 Такие карты уже дано

используются как в геофизических исследованиях, так для нужд КВ и УКВ радиосвязи для расчета условий распространения радиоволн

Благодаря развитию современных средств телекоммуникации данные вертикального радиозондирования ионосферы наземными Ионозондами разных стран планеты становятся доступны в режиме реального времени, что позволяет проводить коррекцию ионосферных моделей в режиме, близком к оперативному Можно ожидать, что подобная коррекция, произведенная при совместном рассмотрении данных наземного и спутникового радиозондирования, должна быть бЬлее эффективна Поэтому рассмотрение данных с орбитальной станции (ОС) «Мир», на которой измерения параметров ионосферы вблизи ¡максимума слоя ¥2 - благодаря близости станции к этому максимуму -особенно точны, совместно с данными наземных ионозондов сделают адаптацию модели ионосферы более близкой к реальности Цели и задачи исследования

Целью настоящей работы являлась разработка и развитие метода региональной адаптации ионосферной модели, её возможностей, достоинств и сравнительных характеристик как в случае использования

отдельных данных наземного и спутникового радиозондирования, так и при совместном их рассмотрении В качестве ионосферной модели была выбрана эмпирическая модель Ш1, как более разработанная, наиболее часто используемая, периодически обновляемая, а значит и наилучшим образом подходящая для данного исследования. В связи с поставленной целью решались конкретные задачи.

1. Развитие метода кригинга, как метода адаптации модели ПИ.

2. Разработка техники использования метода кригинга применительно к условиям задачи региональной коррекции модели 1Ы по данным наземного и спутникового зондирования В частности, создание метода построения карт критической частоты

3 Реализация данного метода в виде программного обеспечения и разработка алгоритма проведения расчетов при региональной коррекции

4 Создание карт критической частоты для различных регионов отдельно по ионограммам орбитальной станции «Мир», по ионограммам наземных станций, входящих в проект \VDCj так и по совместным данным.

5 Разработка методики оценки эффективности использования при коррекции данных радиозондирования путем сравнения отклонения экспериментальных данных от модели до и после проведения коррекции, а также расчет коэффициента корреляции между массивами скорректированных и исходных данных с целью оценки статистической тесноты связи между массивами экспериментальных и модельных критических частот до и после проведения коррекции.

6. Получение основных параметров ионосферных макронеоднородностей по картам критической частоты,

построенным по ионограммам с ОС «Мир» для отдельных регионов в Северном и Южном полушарии Научная новизна диссертационной работы определяется поставленными задачами, впервые полученными результатами и состоит в следующем1

1. Создан и программно реализован метод построения оперативных карт пространственного распределения критической частоты в ионосфере, основанный на методе кригинга. В качестве входящей информации метод использует данные ионосферной модели ГО1, радиозондирования наземных станций и спутникового зондирования. Благодаря введенным экспоненциальным коэффициентам он позволяет избежать проблем, связанных с переходом на границе между скорректированной и нескорректированной областями, что необходимо, в частности, при исследовании ионосферных неоднородностей

2 Впервые построены скорректированные карты критических частот по данным радиозондирования с ОС «Мир» в тех областях, где выявлено наибольшее расхождение между моделью и реальным состоянием ионосферы Выявлены ионосферные неоднородности большой протяженности, существование которых не предполагается моделью Ш1 По ионограммам с ОС «Мир» получены зависимости /^2 вдоль участков орбиты станции

3 Проведено сравнение экспериментальных данных по радиозондированию ионосферы с ОС «Мир» и наземных станций. Представлены карты критической частоты как по

данным спутникового и наземного радиозондирования отдельно, так и по совместным данным.

4 Выполнена оценка статистической тесноты связи между массивами реальных и модельных критических частот до и после проведения коррекции, а также произведена оценка изменения коэффициента корреляции в зависимости от того, какой тип данных использовался при проведении коррекции.

5 Выявлено, что в ходе радиозондирования с низкоорбитального спутника появление на ионограммах дополнительного следа с большой групповой задержкой (ЗНС - задержанный нижний след) происходит непосредственно после того момента, когда разница между критической частотой между экспериментальным и модельным значениями достигает своего максимального значения.

Личный вклад соискателя

Автор разработал технику применения метода кригинга для построения региональных карт ионосферы

Провел анализ экспериментальных данных с ионосферных станций, входящих в проект на предмет сравнения с данными ОС

«Мир».

Построил региональные карты критических частот отдельно по данным радиозондирования с ОС «Мир», от сети наземных ионосферных станций и по совместными данным.

Провел численную оценку точности использованного метода Выполнил программную реализацию метода кригинга в виде приложения, работающего с форматом данных, предоставляемых моделью ПИ.

Положения, выносимые на защиту

1 Методики построения региональных карт критической частоты с использованием данных модели 1Ы, адаптированной при помощи метода кригинга результатами наземного и спутникового радиозондирования.

2. Оценка эффективности применения адаптации модели ПИ как отдельно по наземным и спутниковым данным, так и по совместным данным

3 Региональные карты критической частоты, построенные по данным ОС «Мир» и сети наземных станций \\Т)С, а также при совместном их рассмотрении

4. Размеры и структура ионосферных макронеоднородностей, полученных при использовании разработанной методики по данным ОС «Мир», а также по совместным с результатами наземного радиозондирования данным Практическая значимость работы:

1 Впервые показано, что введение одновременной адаптации ионосферной модели ПИ по наземным и по спутниковым измерениям приводит не только к улучшению прогностических свойств самой модели, но и к получению информации об ионосферных возмущениях, недоступной при использовании только одного из типов данных

2 Разработан метод коррекции ионосферной модели, объединяющий результаты наземного и спутникового радиозондирования для использования в целях оперативного мониторинга состояния ионосферы

3. Создано программное обеспечение, совместимое с существующим программным обеспечением модели Ж1,

позволяющее проводить все необходимые для построения карт расчеты.

4. Получены региональные карты критической частоты, которые могут использоваться как для расчета радиотрасс, так и в геофизических исследованиях Достоверность полученных результатов

Достоверность результатов обеспечивается строгой математической постановкой решаемой задачи, адекватностью хорошо проверенной математической модели ионосферы 1М, высоким качеством использованных ионосферных данных о параметрах вблизи максимума области Б, а также проведенной статистической оценкой эффективности метода коррекции Апробация работы и публикации

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях молодых ученых «Проблемы гелиогеофизики и охраны окружающей среды» (г Москва, 2004), «Проблемы прикладной экологии и гелиогеофизики» (г Москва, 2005), «Проблемы гелиогеофизики и экологии» (г Москва, 2006), на Второй конференции молодых ученых национальных гидрометеослужб государств-участников СНГ «Новые методы и технологии в гидрометеорологии» (г Москва, 2006 г), на международной научной конференции «Излучение и рассеивание электромагнитах волн», ИРЭМВ-2007, РФ, (Таганрог, 2007 г). Результаты опубликованы в статье «Коррекция ионосферных моделей непосредственными измерениями» в журнале «Электросвязь» (№ 7, 2007), в статье «Региональная коррекция модели Ш1 по данным радиозондирования ионосферы с пилотируемой космической станции «Мир» в журнале «Геомагнетизм и Аэрономия» (№4,2007 г).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из пяти глав, заключения и приложения. В ней содержится 145 страниц, 26 рисунков и 12 таблиц. Список литературы содержит 102 наименования

Содержание работы Первая глава посвящена анализу современного состояния науки в исследуемой области. Обзор литературных источников показывает, что для успешной работы радиотехнических систем, использующих КВ-диапазон радиоволн, необходимо знание процессов, происходящих в ионосфере Точное воспроизведение, или моделирование данных процессов представляет собой весьма сложную и трудоемкую задачу, которая к настоящему времени не имеет точного решения Вместе с тем на практике широко применяются различные модели ионосферы, которые представляют собой некоторые усреднения ионосферных параметров, способные давать оценку текущего состояния ионосферы.

В главе 1 описаны основные типы ионосферных моделей, используемых в настоящее время, рассмотрены преимущества и недостатки тех или иных видов моделей Кратко рассмотрены методы радиозондирования, которые используются в качестве источников данных при коррекции, или адаптации ионосферных моделей непосредственными измерениями Из приведенного обзора следует, что метод радиозондирования предпочтителен для получения информации о состоянии ионосферы в целях осуществления радиосвязи по сравнению с другими возможностями подобных исследований Это преимущество состоит в том, что этот метод наиболее полно отражает физическую реальность условий распространения и отражения радиоволн в ионосфере, а также наиболее разработан, изучен и проверен

Использование данных, полученных при помощи современных методов радиозондирования ионосферы для коррекции ионосферных

моделей позволяет получить более адекватное представление о процессах, происходящих в ионосфере Также важной является перспектива получения более точных численных характеристик ионосферы, необходимых для решения практических задач радиосвязи и использование адаптированных моделей ионосферы в прогностических целях.

В первой главе приводится обзор современных исследований, посвященных ионосферным неоднородностям, поскольку подобные возмущения в ионосфере представляют собой наибольшую проблему при расчете условий распространения радиоволн Особое влияние уделяется классификации неоднородностей по размерам, а также по природе их появления Отдельно рассмотрены неоднородности, имеющие под собой сейсмологическую причину возникновения Появление этого типа неоднородностей предположительно привело к явлению на ионограммах, рассмотренных во второй главе настоящей диссертации.

Во второй главе обосновывается необходимость коррекции ионосферных моделей В частности, рассматривается вопрос о влиянии данных, получаемых из нескорректированной модели, на успешность установления радиосвязи между двумя корреспондирующими пунктами. Проведенное рассмотрение показывает, что на примере шести приемно-передающих пунктов радиосвязь между ними отсутствовала бы от 6,6% до 15,2% общего времени при условии использования модели 1М в качестве источника данных о критической частоте

Также приводятся данные собственного анализа, проведенного автором работы по ионограммам, полученным со станции «Мир», которые показали, что отличие экспериментально определенной плазменной частоты от модельной относительно последней варьировалось в пределах от 4,9 % до 51,7% на протяжении 14 экспериментальных серий ионограмм

Все эти и другие соображения, приведенные в главе 2, свидетельствуют о необходимости проведения коррекции модели 1Ш перед её использованием, что свидетельствует об актуальности настоящей работы.

Вторая часть главы 2 посвящена описанию интерполяционного метода кригинга, выбранного в качестве основного инструмента коррекции модели Ш. Метод кригинга представляет собой интерполяционный метод, в котором значение в расчетной точке получается путем взвешенного усреднения по начальным (заданным) значениям В качестве весового коэффициента усреднения выступает расстояние между расчетной и начальной точками

Входными данными является массив точек вида (Х„ У„ ^2,), где Х„ и У, - географические широта и долгота ¡-й экспериментальной точки, а У2, - критическая частота в этой же точке Далее в каждой входной точке рассчитывается величина ДУ2„ равная разнице между реальной критической частотой и частотой модели 1М в данной точке Результат интерполяции представляет собой вычисляемую критическую частоту Х0 в расчетной точке

20=1 * Кое£0 * \У. + {0¥2Ш 1

где ^Р2Ш - значение, вычисленное по модели 1Ш в расчетной точке, а - весовые коэффициенты, являющиеся решениями системы линейных уравнений

1=1 1=1

В данной системе уравнений у,о - представляет собой расстояние от _)-й точки до точки, в которой производится коррекция, а V,, -

расстояние между 1-й и .¡-и точками, для расчета которого используется следующая формула

В данной формуле ББ - широтный фактор, который имеет значения 2.0 для средних, 0 8 для низких и 2 1 для высоких широт

Дополнительный множитель Кое£0 определяется следующим образом-

Кое^ = ехр

( В2 П2

^ЬаИО ЬошО

2

0,о„

где Бьано и Бьошо - расстояние по широте и долготе, соответственно, между ¡-й экспериментальной точкой и точкой, в которой производится коррекция. Смысл введения данного множителя состоит в усилении влияния точек, наиболее близко расположенных к области коррекции, и в ослаблении вклада точек, удаленных от данной области Расстояния и Оьоп представляют собой характерные расстояния по широте и долготе, на которых критическая частота меняется в е раз В условиях спокойной ионосферы они составляют 500 и 1000 км соответственно

Данный множитель не присутствует в оригинальном методе кригинга, и был введен автором работы для того, чтобы осуществить органичный переход от скорректированного участка ионосферы к модели. Дело в том, что при коррекции модели различия в критической частоте между экспериментальными и модельными данными могут достигать значительных величин, как уже говорилось выше. В таких случаях на краях области коррекции критическая частота адаптированной модели значительно отличается от чистой модели 1Ы. Введение при

коррекции дополнительного множителя позволяет избежать данных проблем и сгладить результаты коррекции на границах. Вместе с этим данный множитель не противоречит общему смыслу коррекции, поскольку учитывает зависимость свойств ионосферы от широты и долготы.

Третья глава настоящей работы посвящена описанию использования описанного метода коррекции ионосферной модели 1Ы по данным радиозондирования с ОС «Мир». Главной чертой данного эксперимента стала высота нахождения станции — около 350 км, что примерно соответствует расположению высоты максимума ионосферного слоя В результате подобного расположения станции на ряде ионограмм было замечено появление так называемого явления ЗНС, представляющее собой некоторое продолжение следа отражения от Земли при значениях действующей глубины, превышающих высоту расположения спутника По мнению авторов нескольких работ, это явление стало следствием нахождения в зоне радиозондирования ионосферного возмущения. С учетом данного обстоятельства проведение коррекции по указанным сериям ионограмм представляло особый интерес

В результате численных расчетов были получены карты критической частоты для скорректированной по данным с ОС «Мир» модели. Использовались три серии ионограмм, снятых на борту ОС в Северном полушарии Детально описывается методика, использовавшаяся при построении карт критической частоты по наземным и совместным данным в главе 4 и 5. Она позволяет до начала коррекции определить подходящие для данного эксперимента

раССТОЯНИЯ Бьа, И Бьоп.

Также при анализе серий ионограмм, в которых наблюдалось явление ЗНС, автором настоящей работы была отмечена интересная

особенность. Суть которой состоит в том, что разница между критической частотой между экспериментальным и модельным значениями достигает своего максимального значения непосредственно на ионограмме, зафиксированной перед началом серии ионограмм с ЗНС. Данное явление было зафиксировано во всех сериях измерений, где наблюдался ЗНС

Что касается численных оценок возмущений, выявленных при помощи метода кригинга, то характерные размеры неоднородностей вдоль траектории спутника составили от 600 до 2500 км, что согласуется с оценками авторов других работ. Построенные карты позволяют судить о структуре замеченных неоднородностей, установить характерные черты, такие как центры неоднородностей, соответствующие максимуму критической частоты, зафиксированной во время эксперимента и другие

В четвертой главе настоящей работы рассматривается возможность использования метода кригинга по данным наземных ионосферных станций. Для анализа были использованы некоторые станции, входящие в проект \fyDC, который объединяет 52 наземные ионосферные станции по всему миру, предоставляющие данные ионосферного мониторинга в реальном времени и в архивном режиме в сети Интернет

Для рассмотрения были отобраны две области, одна из которых находилась в Южном (в районе Австралии), а другая - в Северном (в европейской части) полушарии Выбор был сделан исходя из относите-тыгои птотности расположения экспериментальных станций в указанных районах, а также благодаря их надежной работе

Помимо непосредственной коррекции модели в указанных регионах, ставилась ещё одна задача, состоявшая в проведении оценки точности используемого метода коррекции, механизм которой заключался в следующем. Из всего массива входных точек убиралась

одна, после чего производилось определение расстояний Бьа( и Оьоп, которые используются в формуле расчета Кое£0, исходя из принципа пропорциональности этих расстояний характерным расстояниям 500 и 1000 км в условиях спокойной ионосферы Коэффициент пропорциональности рассчитывался как отношение изменения экспериментальных критических частот к е на расстояниях 500 и 1000 км по широте и долготе соответственно По этим же оставшимся точкам строилась и карта критических частот расчетной области. Затем по данной карте определялось значение критической частоты в «выброшенной» точке После этого рассчитывалось отклонение экспериментальной и расчетной частот от модельной, чтобы понять, как изменилась данная величина после произведения коррекции Очевидно, что при подобном подходе происходит проверка метода экспериментальными данными - сначала производятся теоретические расчеты, которые затем сравниваются со значениями эксперимента

Из численных результатов проведенной оценки видно, что для эксперимента в Северном полушарии относительное отклонение эксперимента от модели в среднем составляло 27.4%, после проведения коррекции эта величина снизилась до 6.7%. То есть использование метода кригинга при адаптации модели ПИ позволило приблизить расчетные значения к реальным.

Из представленных данных видно, что для эксперимента в Южном полушарии относительное отклонение эксперимента от модели до коррекции составляет 28 3%, после проведения коррекции падает до 18 7%. Вместе с тем, на станции НоЬаЛ было зафиксировано достаточно сильное отклонение реальной критической частоты от модели по сравнению с общим массивом данных. Эта величина составляет 62 5% при том, что на всех достаточно близко расположенных к НоЬаП станциях знак отклонения отрицательный Исходя из того, что в те сутки, когда

рассматривалась коррекция, на станции НоЬаЛ экспериментальные данные варьируются в необычно широком диапазоне, а также имеются продолжительные провалы в получаемых данных, есть основания полагать, что причиной этого стал аппаратный сбой в оборудовании самой станции Такое предположение позволяет исключить данные станции НоЬаП из рассмотрения. При таком допущении до коррекции средняя величина отклонения составляла 24 1%, а после проведения коррекции 11.0%

На основании проведенных в четвертой главе расчетов показано, что при использовании метода кригинга возможно добиться уменьшения отклонения расчетных данных от реальных в два-три раза. И, учитывая, что рассмотренные в статье банки данных ионосферных наблюдений предоставляют информацию об ионосфере в оперативном режиме, то коррекция модели может производиться в реальном времени Это обстоятельство особенно важно при решении практических задач

В пятой, заключительной главе для коррекции используются совместные данные измерений, выполненных на ОС «Мир», и наблюдений, произведенных на наземных станциях, расположенных в области, где проходила траектории орбиты станции

Из анализа ряда работ, проводившихся, например, по результатам зондирования на Интрекосмос-19, Космос 1809, был сделан вывод о тождественности данных о критической частоте, получаемой как при зондировании со спутника, так и при зондировании с Земли Это обстоятельство, а также тот факт, что метод без потери общности может быть использован и с наземными и с совместными данными, позволяют сделать вывод о правомерности проведения коррекции с использованием наземных и совместных данных

В качестве корректируемого региона был выбран участок траектории, расположенный в Южном полушарии в районе Австралии. В

эксперименте использовались данные с 15 спутниковых и 5 наземных ионограмм, выступивших в качестве источников данных о критической частоте

До коррекции величина относительного отклонения модели от реальности составляла в среднем величину 11.2%, находясь в пределах от 1 9% до 40.6% После проведения коррекции отклонение критической частоты от модели составило в среднем 6 7%, варьируясь в пределах от 0 2% до 37 4% Таким образом, проведение коррекции позволило снизить погрешность в определении реальной критической частоты в отдельно взятой точке практически в два раза

На рисунке 1 приведены карты критических частот рассматривавшегося случая. Экспериментальные точки, относящиеся к ОС «Мир» представлены черными круглыми маркерами, ориентированными вдоль прямой — траектории ОС Точки, относящиеся к наземным станциям, представлены ромбообразными серыми маркерами, расположенными по разные стороны от траектории ОС Оценить расположение экспериментальных точек можно по картам 2 и 3 рисунка 1, где коррекция производилась отдельно по наземным и спутниковым данным, и на рисунке были отмечены только они.

120°Е

со ю-

135°Е

150"Е

165*Е120°Е

, у

/

2л

-4<-

135-Е

150'Е

165'Е

1 £4

I

У / /:/ 1

-1 ! 1 1 ■с

У1 1 \

/11 \ \

! ; \ ч

/ \ \ V

/ 1 ; \\ \

У

а> ■ ц>

/; \

ус

120-Е

4

к* л Ч^,

(Л ю-

135Е

7-Ч"Т

150°Е

165"Е120"Е

135"Е

1бО':'Е

■ К>, > I / •/ ** 11! / / «■>1П\

1 V / Л 4

\

\ ч

\

«7

V **

\ "' л» Ч..У

/ \

165"Е

3

«ч /* / /

—ч 11 ¡V / /

' Л/ ,

ч.......■■>>

\ /

у

\ \ -IV \ Ч

\ \

•V

■о

120СЕ 135'Е "" 165'Е 120Е 135':'Е 150"Е

Рисунок 1. Карты критических частот из модели 1Ш (1) и скорректированные по данным наземных станций (2), монограммам с ОС

«Мир» (3) и совместным данным (4) для эксперимента 31 марта 1999г.

165'Е

Эксперимент показал, что наибольшее расхождение между моделью и экспериментом наблюдается на двух станциях - Vanimo и Darwin В оставшихся трех точках хоть и есть отличие от модели, однако величина его меньше. Особый интерес представляют Vanimo и Darwin, поскольку по карте модели IRI эти станции находятся примерно в области с одинаковым «фоном» критической частоты - от 6.5 МГц до 7 5 МГц. Несмотря на это, на одной из станций имеет место значительное превышение реальной критической частоты над моделью, а на другой -частота значительно меньше реальной, то есть, имеет место область, где изменение свойств ионосферы значительно на коротких расстояниях.

Стоит обратить внимание на то, что, как и в случае с наземными данными, в точках, расположенных в области широт от 0 до 15 градусов, величина относительного отклонения модели от эксперимента имеет наибольшее значение. Более того, с 532 по 535 ионограмму (нумерация взята из банка ионограмм ОКС «Мир») сначала наблюдается рост критической частоты до 8 5 МГц, а потом критическая частота начинает спадать до уровня, соответствующего модельному Можно предположить, что на этом участке траектории наблюдается некоторое «возмущение» критической частоты с максимумом в точке съемки 535 ионограммы Эта экспериментальная особенность также подтверждает, что характер ионосферы в данной области отличен от спокойного

Результат построения карты, скорректированной совместными данными от наземных станций и ОС «Мир», приведен на рисунке 1 (карта 4). Общая картина говорит о наличии в области 10° S 132° Е ионосферной неоднородности замкнутого типа Данная неоднородность имеет положительный знак, поскольку значение критической частоты внутри нее превышает уровень, соответствующий частоте модели IRI.

Помимо основной проверки была также проведена численная оценка тесноты связи между массивами экспериментальных критических

частот и скорректированными значениями. Коэффициент корреляции между экспериментальными данными и модельными значениями до проведения коррекции составлял 0 5 После проведения коррекции по совместным данным он стал 0 8. Таким образом, можно сказать, что по шкале Чеддока связь между моделью и экспериментом характеризуется как заметная, а между скорректированной по совместным данным моделью и экспериментом - как высокая, что также свидетельствует об обоснованности выбранного метода при решении задачи коррекции ионосферной модели НИ.

В Заключении сформулированы основные результаты работы и сделаны следующие выводы

1 Метод кригинга может быть успешно использован как метод адаптации модели Ш1 по экспериментальным данным, хотя обычно он используется в задачах радиофизики для расчета критической частоты в серединной точке односкачковой радиотрассы

2 Метод кригинга может быть успешно применен при построении карт критической частоты при региональной коррекции модели ПИ как по данным либо наземного, либо спутникового зондирования, а так же, наиболее успешно, по совместным данным

3 Программное обеспечение региональной коррекции модели 1И, созданное автором работы и работающее с форматом данных, предоставляемых этой моделью, может быть использовано пользователями, владеющими экспериментальной ионосферной информацией

4 Оценка точности использованной методики на основе анализа созданных карт критической частоты при коррекции по данным от сети наземных ионосферных станций показала, что

использование метода кригинга для коррекции модели IRI позволило снизить отклонение прогнозируемого моделью значения критической частоты от экспериментальной (модельной) с 24,1% до 11% в одном и с 28,3% до 18,7% в другом случае

5. Аналогичная оценка точности использованной методики на основе анализа созданных карт критической частоты при региональной коррекции ионосферной модели IRI по совместным результатам наземного и спутникового радиозондирования показала снижение относительного отклонения реальной критической частоты от модельной с 11,2% до 6,7% в одном и с 18% до 4% в другом рассмотренном эксперименте после проведения коррекции.

6 Статистическая оценка результатов коррекции дала следующие результаты коэффициент корреляции между массивами реальных и модельных критических частот до и после проведения коррекции возрос в первом рассмотренном эксперименте от 0,5 до 0,8 и во втором эксперименте от 0,8 до 0,9

7 На основе данных спутникового радиозондирования с ОС «Мир» была произведена оценка параметров двух ионосферных возмущений, зафиксированных во время проведения эксперимента. Так, характерные размеры составили 550 км по широте и 600 км по долготе для одного случая и 2000 км и 4500 км соответственно для другого. Градиенты критической частоты для двух рассмотренных экспериментальных серий 0,55*10"3 МГц/км и 3,75*10"3 МГц/км. Для одной из рассмотренных неоднородностей была проведена оценка скорости ее перемещения, которая составила 1400 км/ч.

Результаты работы отражены в следующих публикациях:

1 Азизбаев М Р. Диагностика ионосферных неоднородностей по ионограммам ОС «Мир» для высот ниже максимума ионосферного слоя Р2 // Труды Ин-та прикладной геофизики им. ак. Е. К. Федорова, М 2004, С. 20.

2 Азизбаев М. Р Оценка модели 1111-2001 по данным ионограмм с «нижним» следом // Труды Ин-та прикладной геофизики им. ак Е К. Федорова, М.: 2005, С. 140.

3. Азизбаев М. Р Особенности использования метода кригинга при рассмотрении экспериментальных ионограмм с ЗНС совместно с моделью 1М // Материалы конференции молодых ученых, посвященной 50-летию ИПГ, М.: 2006. С. 4.

4. Азизбаев М Р. Адаптация ионосферной модели 1Ы-2001 непосредственными измерениями // Материалы второй конференции молодых ученых национальных гидрометеослужб государств-участников СНГ, М : 2006 С 58

5 Данилкин Н П, Котонаева Н Г, Азизбаев М Р Коррекция ионосферных моделей непосредственными измерениями // «Электросвязь», № 7, М • 2007

6 Азизбаев М Р Котонаева Н Г Региональная коррекция модели ИРИ по данным радиозондирования с пилотируемой космической станции «Мир» // Труды международной научной конференции «Излучение и рассеивание электромагнитых волн», ИРЭМВ-2007, т. 2, Таганрог, 2007 г С 17-21

7 Данилкин Н П, Котонаева Н. Г, Азизбаев М Р Региональная коррекция модели Ш по данным радиозондирования ионосферы с пилотируемой космической станции «Мир» // «Геомагнетизм и аэрономия», №4, М.: 2007 г.

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Азизбаев, Михаил Ринатович

Введение

1. Современное моделирование ионосферных процессов

1.1 Существующие модели ионосферы

1.1.1 Теоретические модели

1.1.2 Параметрические модели

1.1.3 Эмпирические модели

1.1.4 Модель IRI

1.1.5 Источники данных модели IRI

1.1.6 Электронная концентрация

1.1.7 Слой F

1.1.8 Слой F

1.2 Природа и особенности неоднородностей ионосферы

1.2.1 Классификация неоднородностей слоя F

1.2.2 Причины возникновения ионосферных неоднородностей

1.3 Ионосферное радиозондирование 26 Выводы по главе

2. Использование ионосферных моделей для целей оперативного управления радиосвязью

2.1 Необходимость коррекции модели IRI

2.2 Метод кригинга 43 Выводы по главе

3. Коррекция ионосферной модели по данным радиозондирования с ОС «Мир»

3.1 Радиозондирование с ОС «Мир»

3.2 Результаты коррекции модели IRI по данным с ОС «Мир» 58 Выводы по главе

4. Коррекция ионосферной модели по данным радиозондирования с наземных ионосферных станций

4. Коррекция ионосферной модели по данным радиозондирования с наземных ионосферных станций

4.1 Использование данных мониторинга наземных ионосферных станций для коррекции ионосферных моделей

4.2 Источники данных

4.3 Коррекция ионосферной модели IRI по данным радиозондирования с наземных ионосферных станций

Выводы по главе

5. Коррекция ионосферной модели по совместным данным наземного и спутникового радиозондирования

5.1. Особенности совместного использования данных наземного и спутникового радиозондирования

5.2 Коррекция ионосферной модели IRI по данным 31 марта - 1 апреля 1999 г.

Выводы по главе

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Коррекция модели ионосферы по данным спутникового радиозондирования со сверхнизких орбит"

В настоящее время радиозондирование (проводимое как при помощи наземных ионосферных станций, так и при помощи ионозондов на борту космических аппаратов) является методом, позволяющим эффективно вести мониторинг состояния ионосферы. Полученные данные используются как для решения практических задач (таких, как расчет условий распространения радиоволн для целей KB и УКВ радиосвязи), так и для теоретических исследований, направленных на изучение процессов, протекающих в ионосфере.

Помимо непосредственно самих результатов радиозондирования, для анализа состояния ионосферы широко практикуется использование ионосферных моделей. Данные модели представляют собой совокупность экспериментальных данных наблюдения за ионосферой, зависимостей ионосферных параметров от различных величин (координат, времени, солнечной активности и др.), основанных на некоторых усредненных закономерностях изменений этих параметров, и теоретических изысканий. Разумеется, использование одних лишь ионосферных моделей (которые в первом приближении представляют собой некоторые усреднения ионосферных параметров) при решении различного вида задач, может привести к значительным ошибкам в расчетах и неверному представлению о процессах в ионосфере.

Поэтому для проведения эффективного мониторинга целесообразно использовать адаптацию ионосферных моделей данными непосредственных измерений, полученных, в частности, при помощи радиозондирования. Результатом такой адаптации может быть создание карт, например критической частоты слоя F2 (f0F2). Такие карты уже дано используются как в геофизических исследованиях, так для нужд KB и УКВ радиосвязи для расчета условий распространения радиоволн.

Благодаря развитию современных средств телекоммуникации данные вертикального радиозондирования ионосферы наземными ионозондами различных стран становятся доступны в режиме реального времени. В качестве примера реализации подобной системы можно отметить проект WDC (World Data Centre), являющийся одним из источников данных наземного радиозондирования в настоящей работе. Данный проект включает в себя 52 наземных станции в различных частях планеты, которые ведут круглосуточное вертикальное радиозондирование и предоставляют его результаты в сети Интернет как в цифровом формате, так и в виде непосредственных ионограмм с минимальной временной задержкой. Использование подобных данных совместно с ионосферной моделью в заданном регионе способно значительно повысить прогностические свойства модели и дать более актуальное представление о состоянии ионосферы в рассматриваемой области.

Помимо наземного радиозондирования, в настоящей работе также используются данные уникального эксперимента, выполненного на орбитальной станции (ОС) «Мир» в 1999 г. Особенность этого эксперимента заключается в том, что радиозондирование на ОС проводилось с высот, примерно соответствующих максимуму слоя F2, а непосредственно сама высота максимума определялась с беспрецедентной точностью. Благодаря этому обстоятельству можно ожидать, что коррекция ионосферной модели, выполненная по совместным данным радиозондирования с земли и с ОС «Мир» будет особенно эффективна.

Целью настоящей работы являлось изучение региональной адаптации ионосферной модели, её возможностей, достоинств и сравнительных характеристик как в случае использования отдельных данных наземного и спутникового радиозондирования, так и при совместном их рассмотрении. В качестве ионосферной модели была выбрана эмпирическая модель IRI, как наиболее разработанная, часто используемая и периодически обновляемая, а значит и наилучшим образом подходящая для данного исследования. В связи с поставленной целью решались конкретные задачи:

1. Выбор метода адаптации модели IRI (был выбран метод кригинга).

2. Разработка техники использования метода кригинга применительно к условиям задачи региональной коррекции модели IRI. В частности, создание метода построения карт критической частоты.

3. Создание карт критической частоты для различных регионов отдельно по ионограммам орбитальной станции «Мир», по ионограммам наземных станций, входящих в проект WDC и по совместным данным.

4. Реализация данного метода в виде программного обеспечения и разработка алгоритма проведения расчетов при региональной коррекции.

5. Разработка методики оценки эффективности использования при коррекции данных радиозондирования путем сравнения отклонения экспериментальных данных от модели до и после проведения коррекции, а также расчет коэффициента корреляции между массивами скорректированных и исходных данных с целью получения оценки статистической тесноты связи между массивами экспериментальных и модельных критических частот до и после проведения коррекции.

6. Изучение структуры ионосферных макронеоднородностей по картам критической частоты, построенным по совместным ионограммам с ОС «Мир» для отдельных регионов в Северном и Южном полушарии.

Научная новизна. Предложен метод построения оперативных карт пространственного распределения критической частоты в ионосфере, основанный на базе метода кригинга и данных ионосферной модели IRI, данных радиозондирования наземных станций и ОС «Мир». Основным отличием использованного метода явилось использование при построении экспоненциальных коэффициентов, позволяющее избежать проблем, связанных с переходом на границе между скорректированной и нескорректированной областями, что необходимо в частности, при исследовании ионосферных неоднородностей.

1. По ионограммам с ОС «Мир» получены зависимости критической частоты от географического расположения станции. На основе проведенного анализа данных зависимостей выполнены построения скорректированных карт критических частот в тех областях, где выявлено наибольшее расхождение между моделью и реальным состоянием ионосферы.

2. Представлены карты критической частоты как по данным спутникового и наземного радиозондирования отдельно, так и по совместным данным.

3. Выполнена оценка статистической тесноты связи между массивами реальных и модельных критических частот до и после проведения коррекции, а также произведена оценка изменения коэффициента корреляции.

Личный вклад соискателя. Автор разработал технику применения метода кригинга, который обычно используется в задачах радиофизики для расчета критической частоты в серединной точке односкачковой радиотрассы, применительно к построению региональных карт faF2 ионосферы.

Построил региональные карты критических частот отдельно по данным радиозондирования с ОС «Мир», от сети наземных ионосферных станций и по совместными данным.

Провел численную оценку точности использованного метода.

Выполнил программную реализацию метода кригинга в виде приложения, работающего с форматом данных, поставляемых моделью IRI.

Положения, выносимые на защиту. Методика построения региональных карт критической частоты с использованием данных модели IRI, адаптированной при помощи метода кригинга результатами наземного и спутникового радиозондирования.

1. Оценка эффективности применения адаптации модели IRI как отдельно по наземным и спутниковым данным, так и по совместным данным.

2. Региональные карты критической частоты, построенные по данным ОС «Мир» и сети наземных станций WDC, а также при совместном их рассмотрении.

3. Размеры и структура ионосферных макронеоднородностей, полученных при использовании разработанной методики по данным ОС «Мир», а также по совместным с результатами наземного радиозондирования данным.

Практическая значимость работы. Практическая значимость определяется следующими факторами:

• Созданием метода коррекции ионосферной модели, объединяющего результаты наземного и спутникового радиозондирования для использования в целях оперативного мониторинга состояния ионосферы.

• Созданием программного обеспечения, совместимого с существующим программным обеспечением модели IRI, позволяющего проводить все необходимые для построения карт расчеты.

• Региональными картами критической частоты, которые могут использоваться как для расчета радиотрасс, так и в геофизических исследованиях.

Обоснованность и достоверность полученных результатов.

Достоверность результатов обеспечивается строгой математической постановкой решаемой задачи, адекватностью хорошо проверенной математической модели ионосферы IRI, высоким качеством использованных ионосферных данных о параметрах вблизи максимума области F, а также проведенной статистической оценкой эффективности метода коррекции.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях молодых ученых «Проблемы гелиогеофизики и охрны окружающей среды» (г. Москва, 2004), «Проблемы прикладной экологии и гелиогеофизики» (г. Москва, 2005), «Проблемы гелиогеофизики и экологии» (г. Москва, 2006), на Второй конференции молодых ученых национальных гидрометеослужб государств-участников СНГ «Новые методы и технологии в гидрометеорологии» (г. Москва, 2006), а также в научных статьях «Коррекция ионосферных моделей непосредственными измерениями» в журнале «Электросвязь» и «Региональная коррекция модели IRI по данным радиозондирования ионосферы с пилотируемой космической станции «Мир» в журнале «Геомагнетизм и Аэрономия».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из пяти глав, заключения и приложения. В ней содержится 145 страниц, 29 рисунков и 12 таблиц. Список литературы содержит 102 наименования.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Азизбаев, Михаил Ринатович

Выводы по главе 5

В настоящей главе рассмотрен метод кригинга при использовании совместных данных спутникового и наземного радиозондирования. Чтобы подтвердить обоснованность использования обоих типов данных приводится сравнительный анализ ионограмм, полученных с ОС «Мир», когда станция пролетала непосредственно над ионосферной наземной станцией, расположенной в Чилтоне, Англия. Результаты данного анализа, представленные в настоящей главе, а также данные аналогичных работ, проводившихся ранее, свидетельствуют об идентичности получаемых экспериментальных данных при использовании обоих типов радиозондирования. В частности показано, что критическая частота определяется корректно как при зондировании днем, так и ночью. Это дает основания для использования метода кригинга по совместным данным.

В пятой главе описаны результаты двух численных экспериментов, проведенных в Южном полушарии, в районе Австралии. Первый из них был реализован при участии экспериментальных результатов от 5 наземных станций, а также с использованием 15 ионограмм со станции «Мир». Последовательно получены три скорректированные карты критических частот: по данным наземного, спутникового и совместного радиозондирования. Проведена стандартная процедура оценки метода с последовательным исключением из рассмотрения каждой из экспериментальных точек, описанная в предыдущих главах, результаты которой показали снижение относительного отклонения экспериментальной частоты от модельной с 11,2% до 6,7% после проведения коррекции модели методом кригинга.

По данным совместного радиозондирования на скорректированных по совместным данным картах критической частоты выявлено ионосферное возмущение положительного знака, которое как показано, невозможно было бы обнаружить, используя исключительно данные наземного радиозондирования. Произведена оценка характерных размеров наблюдавшегося возмущения, которые составили величину от 500 до 1500 км исходя из экспериментальных данных, и величину около 1200 км исходя из построенных карт критической частоты. Градиент критической частоты составил

1*10° МГц/км.

Помимо карт и обычной оценки, была проведена дополнительная проверка точности используемого метода путем одновременного исключения из рассмотрения около половины экспериментальных данных. Результаты подобной проверки показали, что отличие расчетных данных, скорректированных по всем имеющимся точкам от данных, скорректированных лишь по половине, составило в среднем 1%, то есть исключение значительного числа экспериментальных данных практически никак не повлияло на результаты коррекции.

Второй рассмотренный эксперимент также проводился в Южном полушарии, и для его проведения были использованы 17 ионограмм спутникового и 6 ионограмм наземного радиозондирования от различных станций. Были построены три карты критической частоты отдельно по данным каждого радиозондирования и по совместным данным. Проведенная оценка достоверности показала снижение относительного отклонения реальной критической частоты от модельной с 18% до 4% после проведения коррекции. Благодаря относительно «равномерному» характеру входных данных, на скорректированных картах не было отмечено принципиально новых деталей, подобных наблюдавшимся в первом эксперименте.

Еще одним этапом оценки используемого метода стал проведенный корреляционный анализ. Суть его заключалась в расчете коэффициента корреляции между множествами значений, в качестве которых выступили экспериментальные данные и данные о критической частоте, взятые из модели IRI, до и после проведения коррекции соответственно. На основе рассчитанных коэффициентов проводилась оценка тесноты статистической связи между двумя указанными методами при помощи критерия Чеддока. Проведенные вычисления показали, что теснота связи в первом эксперименте

31 марта 1999 г.) характеризовалась как заметная (коэффициент корреляции 0,5) до и как высокая (коэффициент корреляции 0,8) после проведения коррекции. Для эксперимента 1 апреля 1999 г. Эти значения составили соответственно 0,8 и 0,9, что соответствует высокому и весьма высокому уровню связи.

Все приведенные в настоящей главе результаты расчетов и численных оценок свидетельствуют о том, что при использовании метода кригинга по совместным данным, возможно добиться уменьшения отклонения расчетных значений от реальных в два-три раза в среднем, что увеличит тесноту связи между экспериментом и результатами коррекции. Также немаловажным является показанная возможность использования метода в условиях ограниченного количества входных данных, что не является редкостью при решении практических задач радиосвязи.

Заключение

Создание оперативной модели ионосферы на сегодняшний день представляет собой одну из наиболее важных задач при изучении околоземного пространства. Необходимость подобной задачи диктуется как практическими соображениями - потребностью в устойчивой KB и УКВ радиосвязи, которая на сегодняшний не может быть обеспечена в отсутствие оперативного прогноза состояния ионосферы в требуемом регионе, так и научными изысканиями, направленными на изучение различных процессов, протекающих в ионосфере. В практическом плане особенно важным представляется прогноз критических частот, поскольку они используются при расчетах МПЧ в точках скачков на радиотрассах.

Настоящая работа представляет собой исследование по данному вопросу, итогом которого стали обобщенные и изложенные ниже результаты и выводы:

1. Проведен анализ и сравнение существующих на сегодняшний день моделей ионосферы, методов радиозондирования и возникающих ионосферных возмущений с целью определения базовых элементов системы оперативного прогноза критических частот в заданном регионе. В результате проведенного анализа в качестве основы оперативной модели ионосферы была выделена ионосферная модель IRI. На сегодняшний день модель IRI представляет собой наиболее полную модель ионосферы. Это обеспечивается многими факторами, среди которых стоит отметить периодические обновления и изменения, вносимые в модель, поддерживающие её в актуальном состоянии, удобная программная реализация модели, позволяющая производить вычисления и получать результаты в виде широко используемых форматов данных. Все эти, а также многие другие факторы делают модель IRI наиболее часто используемой в научных и практических целях.

В качестве метода получения экспериментальных данных рассмотрен метод радиозондирования, производимого как с наземных станций, так и с борта космических аппаратов. Этот метод наиболее полно отражает физическую реальность условий распространения и отражения радиоволн в ионосфере, он наиболее разработан, изучен и проверен, накоплена большая база данных о состоянии ионосферы в различных регионах, в различное время года, а так же при различной активности Солнца. В сети Интернет имеется база данных экспериментальных измерений от большого числа наземных ионосферных станций, доступ к которым является свободным, что обеспечивает исследователя достаточным объемом экспериментального материала.

Ещё одним аспектом, освещенным в связи с созданием системы оперативного прогнозирования критических частот, явился обзор ионосферных неоднородностей. Это связано с тем, что подобные возмущения оказывают наибольшее влияние на точность оперативного прогноза в силу трудности их учета и оценки воздействия, оказываемого данным типом явлений.

2. Обоснована необходимость использования оперативного прогноза критических частот на базе данных модели IRI и результатов наземного и спутникового радиозондирования. Основанием для этого послужила оценка точности определения ионосферных параметров при помощи модели IRI, выполненная автором настоящей работы, а также анализ литературных источников, посвященных использованию прогнозов состояния ионосферы для целей КВ-радиосвязи. В частности, исследовалось отклонение прогнозируемой при помощи модели IRI плазменной частоты от той, что была зафиксирована на ОС «Мир» во время эксперимента в 1999 г. Сравнение показало, что отличие реально наблюдавшейся частоты от модельной составило величину от 10% до 60%, при этом в 3 из 14 экспериментальных серий наблюдалось «катастрофическое», то есть более 30% отклонение. Анализ работ других авторов, посвященных влиянию погрешности ионосферных моделей на надежность радиосвязи выявил, что при использовании только ионосферной модели в качестве источника ионосферных параметров, срывы радиосвязи наблюдаются около 20% общего времени. Приведенные оценки наглядно демонстрируют необходимость использования скорректированных ионосферных моделей в целях оперативного прогноза.

3. Разработана методика коррекции ионосферной модели IRI по данным наземного и спутникового радиозондирования, основанная на интерполяционном методе кригинга, практической реализацией которой являются получаемые региональные карты критической частоты. Показана невозможность использования метода кригинга напрямую в задаче коррекции ионосферной модели IRI, связанная с трудностями при переходе от скорректированным к некорректированным областям, что становится особенно актуально при наличии в зоне радиозондирования ионосферных возмущений. В связи с отмеченными трудностями, автором работы были внесены изменения в оригинальный метод кригинга, а именно:

Введены дополнительные экспоненциальные множители и коэффициенты, позволяющие избежать резкого перехода на границе модель/расчетные данные, а также позволяющие ввести взвешенный учет влияния каждой из экспериментальных точек в зависимости от расстояния до этой точки.

- Создана и описана методика расчетов коэффициентов коррекции, позволяющая на основе входных данных подобрать коэффициенты, наиболее соответствующие характеру ионосферы в заданном регионе.

- Методика программно реализована в виде приложения, позволяющего производить расчеты данных для построения региональных карт критических частот на основе данных наземного и спутникового радиозондирования и совместимого с форматом данных, поставляемых программным обеспечением модели IRI. Произведен отбор источников экспериментальных данных, которые будут использоваться в целях оперативного прогноза. В качестве последних предложена сеть ионосферных станций, объединенных в проект WDC. На сегодняшний день этот проект является наиболее актуальным источником данных наземного радиозондирования от сети станций, расположенных в различных точках земного шара. Информация от станций поступает в сеть Интернет с минимальными временными задержками и доступны широкому кругу пользователей.

Предложенная методика была использована при анализе четырех серий ионограмм с ОС «Мир». Анализ карт критической частоты, полученных в результате коррекции ионосферной модели по данным с ОС «Мир», подтвердил актуальность методики построения, подтверждением чему является ряд полученных результатов. При коррекции использовались как серии ионограмм, в которых наблюдалось явление ЗНС (Задержанного Нижнего Следа), так и серии без него. На скорректированных картах ионосферные возмущения были выявлены только там, где и предполагалось наличие неоднородности в зоне радиозондирования, приводящей к появлению ЗНС. Важным обстоятельством является то, входные данные по своему характеру не различаются ни в случае с ЗНС, ни в случае без него.

Ещё одрим подтверждающим актуальность фактором служат параметры неоднородности, рассчитанные при помощи карт скорректированных критических частот для случая 5 мая 1999 г. Размеры неоднородности составили около 2000 км по широте и около 4500 км по долготе, а скорость движения - около 1400 км/ч. Данные характеристики возмущения хорошо согласуются с оценками, полученными независимыми авторами при проведении ими работы по изучению неоднородностей сейсмогенного характера, зафиксированных на ОС «Мир».

4. Произведена оценка точности использованной методики на основе данных от сети наземных ионосферных станций. Анализ проводился по двум группам станций, одна из которых расположена в Южном, а другая - в Северном полушарии. Численные результаты проведенных расчетов показали, что использование метода кригинга для коррекции модели IRI позволило снизить отклонение прогнозируемого моделью значения критической частоты от модельной с 27,4% до 6,7% в одном и с 28,3% до 18,7% в другом случае.

5. Проведена региональная коррекция ионосферной модели IRI по совместным результатам наземного и спутникового радиозондирования, для чего в качестве обоснования использования подобного типа данных были приведены результаты сравнения критической частоты, полученной ОС «Мир» во время её пролета над станцией в Чилтоне и непосредственно на самой наземной станции.

Использование совместного типа данных позволило выявить и рассчитать характеристики ионосферной неоднородности, обнаружить которую, пользуясь только результатами наземного радиозондирования, было бы невозможно. Неучет подобного возмущения, например, при расчете МПЧ в данной области, мог бы привести срыву радиосвязи, поскольку реальная критическая частота отличалась от модельной на 30%. Данный факт, а также изменения на картах критической частоты, построенных после коррекции, еще раз подтверждают необходимость проведения оперативной коррекции модели IRI перед ее использованием в практических задачах.

По данным совместного радиозондирования была также проведена аналогичная оценка точности используемого метода, показавшая снижение относительного отклонения реальной критической частоты от модельной с 11,2% до 6,7% в одном и с 18% до 4% в другом рассмотренном эксперименте после проведения коррекции.

Также была проведена статистическая оценка результатов коррекции, основанная на расчете коэффициента корреляции между массивами реальных и модельных критических частот до и после проведения коррекции и последующей классификации тесноты связи на основе критерия Чеддока. Так, по результатам расчетов, в одном случае теснота связи возросла с заметной до высокой, а в другом с высокой до весьма высокой.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Азизбаев, Михаил Ринатович, Москва

1. Солодовников Г. К. Распространение радиоволн в многомасштабной неоднородной ионосфере // М. 1990. С. 7-58.

2. Thomason J., Skaggs G., Lloyd J.A. A global ionospheric model. Naval Res. Lab. Rep. 8321, Washington, DC20402.1979. P. 15.

3. Фаткуллин M. H. Модели ионосферы // Итоги науки и техники. Геомагнетизм и высокие слои атмосферы. М.: ВИНИТИ, 1975. Т. 3. С. 102168.

4. Фаткуллин М. Н. Динамика неоднородностей разных масштабов в области F и внешней ионосфере (модельные представления) // М.: Наука, 1987. С. 18.

5. Фаткуллин М. Н., Зеленова Т. И. и др. Эмпирические модели среднеширотной ионосферы // М.: Наука, 1981. С. 256.

6. Колесник А. Г., Голиков И. А. и др. Математические модели ионосферы // Томск, 1993. С. 158.

7. Cander Lj. R., Leitinger R., Levy M. F. Ionospheric models including theiauroral environment // Mat. from "ESA Workshop on Space Weather" 11-13 Nov 1998.

8. Sojka J. J. Global scale, physical models of the F region ionosphere // Rev. of Geophys. 1989. Vol. 27, P. 371

9. Fuller-Rowell T. J., Rees D., Quegan S., Moffett R. J. and Bailey G. J. Interaction between neutral thermosphere composition and the polar ionosphere using a coupled ionosphere-thermosphere model // J. Geophys. Res. 1987. Vol. 92. P. 7744.

10. Roble R. G., Ridley E. C., Richmond A. D. and Dickinson R. E. A coupled thermosphere / ionosphere general circulation model // Geophys. Res. Lett. 1988. Vol. 15. P. 1325.

11. Torr M. R., Torr D. G„ Richards P. G. and Yung S. P. Mid- and low-latitude model of thermospheric emissions, 1, 0+ (2 P) 7320 A and N2 (2P) 3371 A // J. Geophys. Res. 1990. Vol. 95. P. 21.

12. Richards P. G., Torr D. G., Reinisch B. W., Gamache R. R. and Wilkinson P. J. F2 peak electron density at Millstone Hill and Hobart: Comparison of theory and measurement at solar maximum // J. Geophys. Res. 1994. Vol. 99. P. 15.

13. Richards P. G., Torr D. G., Buonsanto M. J. and Sipler D. P. Ionospheric effects of the March 1990 magnetic storm: Comparison of theory and measurement //J. Geophys. Res. 1994. Vol. 99. P. 23.

14. Anderson D. N. A theoretical study of the Ionospheric F region equatorial anomaly // Theory. Planet. Space Sci. 1973. Vol. 21. P. 409.

15. Moffett R. J. The equatorial anomaly in the electron distribution of the terrestrial F region // Fund. Of Cosmic Phys. 1979. Vol. 4. P. 313.

16. Decker D. Т., Valladares С. E., Sheehan R., Basu S., Anderson D. N. and Heelis R. A. Modeling daytime F layer patches over Sonderstrom // Radio Sci. 1994. Vol. 29. P. 249.18. http://cedarweb.hao.ucar.edU/catalog/cat.toctext.html#diro

17. Anderson D. N., Mendilo N. and Herniter B. A semi-empirical low latitude Ionospheric model // Radio Sci. Vol. 22. P. 292

18. Anderson D. N., Forbes J. M. and Codrescu M. A fully analytical, low- and middle-latitude Ionospheric model //J. Geophys. Res. 1989. Vol. 94. P. 1520.

19. Tascione T. F., Kroehl H. W., Creiger R., Freeman J. W., Wolf R. A., Spiro R. W., Hilmer R. V., Shade J. W. and Hausman B. A. New ionospheric and magnetospheric specification models //Radio Sci. 1988. Vol. 23. P. 211.

20. Daniell R. E., Whartenby W. G. and Brown L. D. Parameterized Real Time Ionospheric Specification Model PRISM version 1.2 // Newton, USA. 1993.

21. Bilitza D. Solar-terrestrial models and application software // Planet Space Sci. 1992. Vol. 40. P. 541.

22. Bradley P. A. and Dudeney J. R. A simple model of the vertical distribution of the electron concentration in the ionosphere //J. Atmos. Terr. Phys. 1973. Vol. 35, P. 2131.

23. Dudeney J. R. An improved model of the variation of electron concentration with height in the ionosphere // J. Atmos. Terr. Phys. 1978. Vol. 40. P. 195.

24. Llewellyn S. K. and Bent R. B. Documentation and description of the Bent Ionospheric Model // Report AFCRL-TR-73-0657, Hanscom AFB, Massachusetts, USA. 1973.

25. Bilitza D. International Reference Ionosphere 1990 // NSSDC 90-22, Greenbelt, Maryland, USA. 1990.

26. Chiu Y. T. An improved phenomenological model of ionospheric density // J. Atmos. Terr. Phys. 1975. Vol. 37. P. 1563.

27. Ching В. K. and Chiu Y. T. A phenomenological model of global ionospheric electron density in the E-, Fl-, and F2-regions // J. Atmos. Terr. Phys. 1973. Vol. 35. P. 1615.

28. Kohnlein W. Electron Density Models of the ionosphere // Rev. of Geophys. and Space Phys. 1978. Vol. 16. P. 341.

29. Часовитин Ю. К., Широчков А. В., Беспрозванная А. С. Ионосферные исследования // М.: Наука, 1988. № 44. С. 6.

30. D. Bilitza. International Reference Ionosphere 1990 // NSSDC 90-22, Greenbelt, Maryland, 1990, p.45-56

31. D. Bilitza. International Reference Ionosphere 1990 // NSSDC 90-22, Greenbelt, Maryland, 1990, p.59

32. Ducharme E. D., Petrie L. E., Eyfrig R. A method for predicting Fl layer frequency // Radio Sci. 1971, V. 6, P. 369-378.

33. Ducharme E. D., Petrie L. E., Eyfrig R. A method for predicting Fl layer frequency based on Zurich smoothed sunspot number // Radio Sci. 1973, V. 8, P. 837-839.

34. CCIR // Comite Consultatif international des Radiocommunications, Reports 340,340-2.1967. Geneva.

35. Shimazaki T. Worldwide daily variability in the height of maximum electron density of Ionospheric F2 layer // J. Radio Res. Labs, 1985. V. 2. P. 85-97.

36. Ramakrishnan S., Rawer K. Model electron density profiles obtained by empirical procedures // Space Research XII, P. 1253-1259, Berlin, 1972

37. Gulyaeva T. Progress in Ionospheric informatics based on electron density profile analysis of ionograms // Adv. Space Res., 7(6), 39-48,1987.

38. Gulyaeva T, Discussion of the valley problem in N(h) analysis of ionograms // Adv. Space Res. Vol. 10.1990. P. 123.

39. Booker, H. C., Fitting of multi-region Ionospheric profiles of electron density by a single analytic function of height // J. Atmos. Terr. Phys. 39, 619,1977.

40. Солодовников Г. К. Распространение радиоволн в многомасштабной неоднородной ионосфере // М.: Наука, С. 18,1990.

41. Ерухимов JI. М., Максименко О. И., Мясников Е. А. О неоднородной структуре верхней ионосферы // М. Сов. Радио, 1980. № 30. С. 27-53.

42. Гдалевич Г. Л. Неоднородная структура области F ионосферы по данным зондовых измерений на спутниках // Artif. Satell. 1980. Т. 15. С. 165-178.

43. Гершман Б. Н. Механизмы возникновения ионосферных неоднородностей в области F // М.: Сов. Радио, 1980. № 30. С. 17-26.

44. Волков Н. Н., Кукушкина Р. С. Крупномасштабные неоднородности в слое Е авроральной ионосферы // Геомагнетизм и Аэрономия, 1978, т. 18. С. 436-439.

45. Фаткуллин М. Н., Солодовников Г. К., Легенька А. Д. Среднемасштабные и крупномасштабные волновые возмущения и неоднородности электронной концентрации внешней ионосферы средних и низких широт // Геомагнетизм и Аэрономия. 1984. Т. 24, № 2. С. 191-195.

46. Калинин Ю. К., Сергеенко Н. П., Сазанов А. В. Кругосветные движения сейсмогенных макромасштабных неоднородностей в области F2 ионосферы // Геомагнетизм и Аэрономия, т,44, №3, с.ЗЗ 1-338

47. Fejer В. G., Kelley М. С. Ionospheric irregularities // Rev. Geophys. And Space Phys. 1980. Vol. 18. P. 401-454.

48. Альперт Я. В. Распространение радиоволн и ионосфера // М.:Наука, 1980. С. 147.

49. Livingston R. С., Rino С. L., McClure J.P. Spectral characteristics of medium-scale equatorial F-region irregularities // J. Geophys. Res. A. 1981. Vol. 86. №12. P. 2421-2428.

50. Троицкий Б. В. Перемещающиеся волновые возмущения в ионосфере // Ионосферные исследования. М.: Сов. Радио, 1980. № 30. С. 56-57.

51. Dyson P. Direct measurements of the size and amplitude of irregularities in the topside ionosphere //J. Geophys. Res. 1969. Vol. 74, № 26. P. 6291-6303.

52. Чернов JI. А. Распространение радиоволн в среде со случайными неоднородностями // М.: Из-во АН СССР, 1958. С. 158.

53. Miller К. L., Smith L. G. Incoherent scatter radar observations of irregular structure in mid latitude E layers // J. Geophys. Res. 1978. Vol. 83, № 8. P. 37613775.

54. Гельберг M. Г. Образование мелкомасштабных неоднородностей в F-области высокоширотной ионосферы //1981. М.: Наука, С. 41.

55. Гельберг М. Г., Федоров В. П. Образование слабоанизотропных неоднородностей в высокоширотной ионосфере // Геомагнетизм и Аэрономия, 1983, Т. 23, С. 230-233.

56. Калинин Ю.К., Сергеенко Н. П., Сазанов А.В. Динамика макромасштабных ионосферных неоднородностей, возникающих в главном максимуме в окрестностях эпицентров сильных землетрясений // Геомагнетизм и Аэрономия, 2004, Т. 44, №2, С.239-244

57. Tiuri М., Kraus J. Ionospheric disturbances associated with Echo 1 as studied with 19-MegacicIes-per-Second Radar // J. Geophys. Res. V. 68. № 19. P. 5371. 1963

58. Leonard R. S., Barnes R. A. Observations in Ionospheric disturbances following the Alaska earthquake // J. Geophys. Res. V. 70 № 5. P. 1250-1253. 1965.

59. Гершман Б. H. Механизмы возникновения ионосферных неоднородностей в области F // Ионосферные исследования. М.: Сов. Радио, 1980. № 30. С. 17-26.

60. Смирнов В. М. Интерпретация ионосферных возмущений в период слабых землетрясений // Электронный журнал «Исследовано в России» 12, 2003, С. 121-129.

61. Афраймович Э. Л. Интерференционные методы радиозондирования ионосферы //М.: Наука, 1982. С. 198.

62. Намазов С. А., Новиков В. Д. Наземные радиофизические методы исследования неоднородностей ионосферы // Ионосферные исследования. М.: Сов. Радио, 1980. № 30. С. 87-94.

63. Авдюшин С. И., Данилов А. Д., Данилкин Н. П. Построение, задачи и перспективы ионосферной службы.

64. Наклонное зондирование ионосферы // Труды ААНИИ. JI. Гидроме-теоиздат, 1978, т. 351.

65. Данилкин Н. П., Сивоконев Г. Н. Оптимальный ионосферный радиопрогноз // Электросвязь, №3, 2004.

66. Черный Ф. Б. «Распространение радиоволн» // М. Сов. Радио, 1972. С. 314.

67. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. М.: Мир, 1973. С. 168.

68. Б. Г. Барабашов, О. А. Мальцева. Ионосферное обеспечение однопозиционных пеленгаторов-дальномеров диапазона декаметровых волн // Труды научно-исследовательского института радио, Москва, 2003.

69. Г. И. Островский. Экспертная оценка точности определения параметров максимума F2 области ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 1992. Т.36. №6.

70. D. Bilitza. International Reference Ionosphere // Radio Science. March/April 2001. Vol. 36, №2, P.261-275.

71. Чернышев, О. В., Васильева, Т. Н. Прогноз максимальных применяемых частот//М.: Наука, 1975.

72. Азизбаев М.Р. Оценка модели IRI-2001 по данным ионограмм с «задержанным нижним следом» // Труды государственного ин-та прикладной экологии. М.: 2005. С. 140-144.

73. Барабашов Б.Г., Мальева О. А. Ионосферное обеспечение однопозиционных пеленгаторов-дальномеров диапазона декаметровых волн // Труды научно-исследовательского института радио. М.: 2003. С. 122.

74. Bradley P.A. Instantaneous ionospheric mapping // Proc. of the First Workshop of COST251. Prague. 1996.

75. Zolesi В., Cander Lj.R. Evolution of the Ionospheric mapping and modelling during the last four decades // Fisica de la Tierra. 2000. Vol.12.

76. Samardjiev Т., Bradley P.A., Cander Lj.R., Dick M.I. Ionospheric mapping by computer contouring techniques / // Electronics Lett. 1993. Vol.29. №20.

77. Stanislawska I., Tulunay Y., Gulyaeva T.L. Transportable ionosonde in PRIME project. Spain. September 1994 // Proc. of COST238/PRIME Workshop. El Arenosillo. Spain. 1995.

78. Данилкин Н.П., Котонаева Н.Г., Анишин M.M. Задержанный нижний след на спутниковых ионограммах новое средство изучения макронеоднородностей ионосферы. // Известия Вузов Радиофизика. 2006. T.XLIX. № 1. С. 9.

79. Васильев Г.В., Гончаров Л.П., Кушнеревский Ю.В., и др. Предварительные результаты зондирования внешней ионосферы с борта ИСЗ «Интеркосмос 19» //Геомагнетизм и аэрономия. 1985. Т. 25. №3. С. 451-456.

80. Бенькова Н. П., Козлов У. Ф. Главный ионосферный провал по данным ИСЗ ИК-19 // Тезисы докладов Международного семинара «Результаты комплексных исследований по данным ИСЗ «ИК-19». Калуга.: 1988. С. 12.

81. Бенькова Н.П., Козлов Е.Ф., Коченова Н.А. и др. Высотно-широтное распределение электронной плотности в субавроральной ионосфере по данным ИСЗ «Интеркосмос 19» и наземных ионосферных станций // Геомагнетизм и аэрономия. 1985. Т. 25. №6. С. 893-899.

82. Бенькова Н. П., Козлов У. Ф. Главный ионосферный провал по данным ИСЗ ИК-19 // Тезисы докладов Международного семинара «Результаты комплексных исследований по данным ИСЗ «ИК-19». Калуга.: 1988. С. 12.

83. Данилкин Н. П., Котонаева Н. Г., Особенности радиозондирования ионосферы с орбитального комплекса «Мир» // Изв. Вузов. Радиофизика. 2002. Т. 45, №6, САН.

84. Pulinets S. A., Jann-Yenq L., Chuo Y., Danilkin N. P., Depuev V. K. MIR space station topside sounder: Possibilities for equatorial anomaly study // Terr Atmos. Ocean Sci. J. 2001. № 3. P.451-459.

85. Danilkin, N. P. The results of the satellite radio sounding of the ionosphere in the vicinity of the F layer maximum. Int. J. Geomagn. Aeron. 2001. Vol.2. P. 173.

86. Кремер Н. Ш. Теория вероятностей и математическая статистика // М.: 2006. С. 425.