Методы и алгоритмы адаптивного моделирования ионосферы по данным высокоорбитальных навигационных систем

Кожарин, Максим Анатольевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Методы и алгоритмы адаптивного моделирования ионосферы по данным высокоорбитальных навигационных систем
ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Методы и алгоритмы адаптивного моделирования ионосферы по данным высокоорбитальных навигационных систем"

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

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 551.510.535:629.783

КОЖАРИН Максим Анатольевич

МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ АДАПТИВНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ ВЫСОКООРБИТАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ.

Специальность 25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2005 г.

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

Научный руководитель •

доктор физико-математических наук, профессор Куницын Вячеслав Евгеньевич Официальные оппоненты ■

доктор физико-математических наук Семенов Анатолий Иванович

кандидат физико-математических наук Алпатов Виктор Владимирович

Ведущая организация.

Полярный геофизический институт КНЦ РАН

Защита диссертации состоится «22» декабря 2005 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 «......»....................2005 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д501.001.63 кандидат физико-математических наук

В.Б. Смирнов

CLOQGh

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В связи со значительным расширением области применения различных спутниковых систем, наблюдающимся в последнее время, задача изучения ионизированных слоев Земли, как среды распространения спутниковых радиосигналов, помимо сугубо научною, приобретает все более важный практический интерес.

К спутниковым системам, в работе которых необходимо учитывать текущее состояние ионосферы, в первую очередь следует отнести спутниковые навигационные системы второго поколения - американская GPS (Global Positioning System), разработанная в США и введенная в строй в 90-х годах, российская ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система), находящаяся на стадии развертывания космической части и разрабатываемая в настоящее время в Европе аналогичная система Galileo, которая должна быть введена в эксплуатацию в 2008 г. Благодаря удобству в эксплуатации система GPS получила широчайшее применение в самых разных областях от решения задач навигации и проведения спасательных операций до геодезии и изучения движения материковых плит. Расширение области использования навигационных систем ставит перед ними все более высокие требования к точности определения навигационных параметров. В то же время следует заметить, что достигнутая на данный момент точность вплотную приблизилась к ошибкам, обусловленным влиянием ионосферы.

Для учета влияния ионосферы применяются различные подходы Наиболее распространенный из них - использование эмпирических моделей ионосферы. Однако такой способ имеет ряд ограничений в силу особенностей, присущих всем эмпирическим моделям. К таковым относится, например то, что все эмпирические модели описывает лишь некую усредненную, гладкую ионосферу, поскольку разрабатываются на основе обработки данных измерений за достаточно длительный промежуток времени. Кроме того, существующие модели значительно различаются по точности описания даже усредненной ионосферы и наиболее точные из них оказываются слишком сложными в реализации для широкого практического применения конечными пользователями. Используемая в настоящее время для учета ионосферы в системе GPS математическая модель задержек Клобушара зачастую не отражает даже такую характерную особенность экваториальной ионосферы как экваториальная аномалия. Таким образом, описание ионосферы в период геомагнитных возмущений .требует наличия текущей, оперативной информации о состоянии ионосферы, а значит и адаптивного подхода к решению поставленной задачи.

Одним из способов, позволяющим получить эту информацию является применение методов спутниковой радиотомографии. В последние два десятилетия значительные успехи были постигнуты в тзпаботке методов двумерной среднеорбитально! и,

позволяющих получать двумерные сечения ионосферы вдоль трасс пролета навигационных спутников таких систем, как TRANSIT и ЦИКАДА. Первые в мире томографические сечения были получены сотрудниками ПГИ и МГУ в 1990г. Получаемые сечения довольно точны и детализированы. Размеры ячеек дискретизации достигают 20-30 км по горизонтали и 30-40 по вертикали, поэтому эти методы являются очень ценным инструментом изучения ионосферных процессов. Однако, для регионального мониторинга в радиотомографии с применением низкоорбитальных систем требуется развертывание сети линеек приемников, регистрирующих сигналы спутниковых навигационных систем первого поколения. В настоящее время на территории России действует одна такая цепочка - Москва-Мурманск-Шпицберген, кроме того имеются цепочки в США, дополнительно на Аляске, в Европе (Великобритания и Скандинавия), Индии и Юго-восточной Азии, где по данным станций Манила-Шанхай за 1994-96 гг была экспериментально исследована экваториальная аномалия. К сожалению, малое количество существующих спутников не позволяет получать такие сечения непрерывно. Интервал, получения реконструкций составляет от 20-40 мин до 4 часов.

Успех применения томографических алгоритмов к данным среднеорбитальных спутниковых систем породил идею применить аналогичный метод и для данных, получаемых от высокоорбитальных спутниковых систем, к которым, в частности, относится и GPS Несмотря на различные трудности применения метода в данном случае он обладает рядом особенностей, позволяющих решать задачи о вычислении поправок, а также открывающих широкие перспективы для дальнейшего совершенствования метода. Во-первых, сигналы достаточно большого количества спутников систем GPS и ГЛОНАСС доступны непрерывно в любой точке земного шара. Во-вторых, развитие космической части этих систем и, в частности, развертка системы Galileo и завершение развертки системы ГЛОНАСС позволит значительно, более чем в два раза, увеличить число видимых в данной точке спутников и, следовательно, повысить точность и детализацию получаемых реконструкций. В-третьих, уже в настоящее время существует широкая сеть наземных приемных станций, принимающих сигналы систем GPS и ГЛОНАСС и сохраняющих полученные данные в специальном формате, причем плотность ее на территории Европы и США такова, что позволяет уже сейчас осуществлять непрерывный мониторинг ионосферы в этих регионах. Все данные этой сети находятся в открытом доступе и доступны через интернет. В-четвертых, эта сеть постоянно расширяется, что так же позволит в дальнейшем увеличить детализацию.

базисным функциям. Входными данными для методов и алгоритмов реконструкции электронной концентрации, по которым производится адаптация модели ионосферы, являются данные региональных сетей приемников ОРБ/ГЛОНАСС.

Новизна результатов.

• Впервые разработан томографический метод восстановления структуры поля электронной концентрации в ионосфере по фазовым данным высокоорбитальных навигационных спутников на основе полностью трехмерного разложения поля по локальному базису, основанному на В-сплайнах с учетом зависимости поля от времени.

• Предложена реализация модели толстого слоя как частного случая использования общего алгоритма разложения поля по локальному базису, при котором вертикальная составляющая базиса задается в виде параболы.

• Проанализированы возможности и условия применимости метода на аналитических модельных распределениях, описывающих характерные ионосферные структуры: градиенты концентрации, неоднородности и провалы ионизации.

• Предложены методы предобработки исходных экспериментальных данных, учитывающие их основные особенности, такие как переменный интервал следования данных, разрывы, шумы и скачки в данных.

• Применение разработанных алгоритмов для обработки данных европейской сети станций за период сильной геомагнитной бури в конце октября 2003 г. позволило впервые обнаружить сложную структуру ночной области сильнейшей ионизации в высоких и средних широтах.

Научная и практическая ценность. Использование методов и программ, разработанных в данной работе, позволш проводи 1ь непрерывное исследование и региональный мониторинг ионосферы, а ожидаемое дальнейшее совершенствование технической базы приведет к увеличению точности и детализации получаемой информации Полученные результаты могут быть использованы для вычисления ионосферных поправок к времени распространения сигналов спутниковых радионавигационных систем, что даст увеличение точности работы этих систем и позволит расширить область их применения.

Апробация работы и публикации. Результаты рабош докладывались на российских и международных конференциях: «Физические проблемы экологии» (Москва, 2001 и 2004), XX и XXI Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (Нижний

Новгород, 2002, Йошкар-Ола, 2005), Объединенной ассамблее геофизических союзов EGS - AGU - EUG - Joint Assembly (Франция Ницца, 2003), Special Symposium of the URS! Joint Working Group FG (Италия, Матера, 2003), International Beacon Satellite Symposium (Италия, Триест, 2004), International Symposium on Solar Extreme Events of 2003: Fundamental Science and Applied Aspects (Москва, 2004), Международная Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике (Иркутск, 2004), XXVIII Генеральной Ассамблее URSI (Индия, Дели, 2005). По теме диссертации опубликовано 10 работ в отечественных и зарубежных изданиях.

Основные результаты и защищаемые положения.

1. Предложен метод построения приближенных дискретных проекционных томографических операторов с использованием различных типов аппроксимации при адаптивном моделировании трехмерных полей электронной концентрации с учетом временной зависимости.

2. Разработаны алгоритмы и программы для решения систем линейных уравнений, полученных на основе построенных аппроксимаций проекционных операторов с использованием дифференциальных фазовых данных сети стационарных GPS приемников.

3. Разработан алгоритм предобработки и фильтрации исходных экспериментальных данных от шумов, скачков и разрывов в данных.

4. Проведено компьютерное моделирование и показана возможность восстановления разработанным методом основных характерных ионосферных структур. Проанализировано влияние шумов в исходных данных на качество получаемых реконструкций.

5. Проведено адаптивное моделирование ионосферы в Европейском регионе. В частности, в период спокойной ионосферы, а также в период сильнейшей геомагнитной бури 30-31 октября 2003г На реконструкциях периода бури впервые были обнаружены крупномасштабные структуры повышенной ионизации в ночное время в северных широтах европейского региона. Проведенные сопоставления результатов реконструкций с данными ионозондов и результатами двумерных вертикальных сечений среднеорбитальной радиотомографии показали хорошее качество реконструкций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка используемой литературы. Работа выполнена на 129 страницах, и содержит 2 таблицы и 128 рисунков.

Краткое содержание работы.

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность, новизна, научная и практическая ценность, сформулированы

основные достижения и защищаемые положения, кратко изложено содержание диссертации.

Первая глава диссертации содержит общие современные представления об ионосфере, описание проблемы моделирования состояния ионосферы и различные существующие подходы к ее решению.

Первый параграф посвящен описанию структуры и свойств ионосферы. Приводится разделение спокойной и однородной ионосферы по областям (слоям) и обсуждаются физические процессы, приводящие к возникновению этих слоев. Также выявляются причины возникновения различных возмущений и приводятся их характеристики.

Во втором параграфе представлены основные типы моделей ионосферы и приводятся примеры существующих моделей для каждого и ï типов. Все модели ионосферы можно разделить на три основных типа: 1 ) эмпирические, основанные на усреднении множества экспериментальных данных, 2) аналитические, основанные на реальных физических законах и 3) адаптивные модели, которые могут менять свои параметры в зависимости от текущих экспериментальных данных.

В третьем параграфе представлен обзор эмпирических моделей, из которых наиболее разработанной и точной является модель 1RI. Кроме нее можно назвать модели Chiu, Bent, IONCAP. Далее проводится сравнение модели IRI с данными натурных экспериментов и результатами двумерной среднеорбитальной радиотомографии.

В четвертом параграфе кратко приведены некоторые аналитические модели, а

в пятом параграфе представлен адаптивный подход к построению моделей и приведены несколько примеров. В том числе приведен пример модели тонких оболочек, разработанной в Jet Propulsion Laboratory и основанной на методе определения ионосферного вклада по групповым данным навигационной системы GPS.

Шестой параграф содержит общее описание томографических методов и подходы к их использованию. Более подробно описываются итерационные алгебраические методы томографии и алгоритмы решения получающихся систем линейных уравнений. Приведены формулы алгоритмов ART с релаксацией и DART с релаксацией.

Вторая глава диссертации посвящена вопросам применения томографических методов для изучения ионосферы с использованием данных высокоорбитальных спутниковых навигационных систем.

В первом параграфе приведена краткая история развития спутниковых навигационных систем (СНС). Первое поколение СНС было создано в 60-70 гг. XX века (системы TRANSIT и ЦИКАДА). Данные этих СНС до сих пор с огромным успехом применяются в двумерной спутниковой томографии. Разработки СНС второго поколения были начаты в 70-х гг. в США. Ею стала система NAVSTAR, в дальнейшем

переименованная в GPS. Параллельно в Советском Союзе начались работы по созданию аналогичной отечественной системы, получившей название ГЛОНАСС. Спутники обеих систем имеют орбиты с высотой около 20 ООО км. В настоящее время подобная система под названием Galileo разрабатывается также и в Европе. Согласно плану система Galileo должна быть полностью рабочей уже в 2008 г.

Кроме развития космической части СНС также наблюдается активное развитие различных сетей стационарных наземных приемных станций. Плотность распределения станций по земному шару крайне неравномерна. Наиболее плотное покрытие территории станциями наблюдается в Европе и США.

Во втором параграфе обсуждается возможность применения спутниковых навигационных систем в задаче оперативного мониторинга ионосферы. Вначале идет краткое описание принципов работы системы GPS и вывод формул, позволяющих получить информацию об ионосфере из GPS-данных:

для фазовых данных:

(к ЙЙ с

ТЕС =

для групповых данных:

Р2-Р1

ТЕС =

-f const. (I ]

(2)

,/2 /1

Здесь величины и Ь2 - фазы несущих волн на частотах /1 и /2, выраженные в числе длин волн, укладывающихся на отрезке распространения луча, а Р\ и Р2 - псевдодальности в метрах, вычисленные с использованием Р-кода для тех же частот.

Третий параграф описывает процедуру построения дискретных проекционных операторов для некоторой (определенной) конфигурации станций и спутников. Для построения оператора необходимо выбрать систему координат, и базис разложения исследуемого поля. В созданном программном обеспечении используется шесть различных систем координат. Для задания функции распределения плотности электронов используется одна из них, называемая в работе локальной сферической системой координат. В этой системе диапазон изменений координат. ф= -л/2..л/2, в=-к..я, /? = 0..оо, а точка с угловыми координатами (0,0) помещается в любую (определенную) точку земного шара.

Для дискретизации задачи используется разложение поля по различным локальным базисам вида

= ва1Ь(ф,в,Щ = в(}х\ф)в1р\е)в^\К)Лъ)

где - некие одномерные локальные функции, как правило й-сплайны с 0-го по 3-й порядков, нормированные таким образом, что бы сумма

значений сплайновой функции в узлах сетки равнялась 1. Такой подход позволил при моделировании изучить свойства того или иного базиса в приложении к конкретной задаче и выбрать из них наиболее соответствую щи й.

Для получения дискретного проекционного оператора необходимо представить задачу в виде системы линейных уравнений. В этом параграфе для дифференциальных фазовых данных получена следующая формула:

Выражение, которое умножается на коэффициенты С„ представляет собой элементы матрицы искомого проекционного оператора. Из этой формулы следует, что при построении проекционного оператора требуется вычислять интегралы от базисных функций вдоль лучей спутник-станция Для численного интегрирования разумно разбить луч на участки, целиком лежащие в ячейках разбиения. Алгоритм разбиения луча представлен в конце параграфа.

В четвертом параграфе перечислены различные особенности задачи, связанные, главным образом, с геометрией системы, которые необходимо учитывать при ее решении. К таковым можно отнести следующее:

1. Отсутствие спутников GPS в полярных регионах, связанное с тем, чю наклонение орбит спутников равно 55°

2. Большой радиус орбит спутников.

3. Сравнительно медленное движение спутников по небосводу и малое их количество

4. Крайне неравномерное расположение наземных приемных станций. Кроме того, в этом параграфе также показано, что в связи с кривизной поверхности Земли каждая станция имеет «область влияния» - область, покрываемая подионосферными точками для всевозможных допустимых зенитных углов спутников Радиус этой области равен примерно 700-1000 км. Для получения реконструкций ионосферы необходимо наличие пересекающихся лучей, а значит среднее расстояние между станциями должно быть не меньше радиуса области влияния.

В пятом параграфе описана реализация учета зависимости состояния ионосферы от времени. Необходимость этого возникает в силу малой угловой скорости спутников. Основным фактором, приводящим к изменению концентрации в ионосфере в спокойный период, является электромагнитное излучение Солнца. В связи с этим в поведении ионосферы прослеживаются четкие суточные вариации. Кроме того, известно, что на структуру ионосферы оказывает сильное влияние магнитное поле Земли. Поэтому, для учета этих вариаций в данной работе предлагается модифицировать уравнение, приведенное в предыдущем параграфе, таким образом, что бы интегралы вычислялись не по

Lj(t-bt)

настоящему лучу, а по смещенному против направления вращения Земли вдоль магнитных параллелей на время -

Дальше в этом параграфе приводится вывод итерационной формулы для случая полностью четырехмерного представления ионосферы - три пространственных измерения и одно временное.

Шестой параграф кратко представляет использование разработанной методики для построения модели толстого слоя. Модель толстого слоя представляет собой развитие идеи модели тонкого слоя с тем отличием, что в этой модели ионосфера имеет ненулевую толщину. Высотное распределение электронов задается в виде заранее известной формулы. В настоящей работе для задания этого профиля использовалась парабола Модель толстого слоя, вследствие своей простоты и устойчивости, имеет гораздо лучшую точность по сравнению с полностью трехмерным распределением в задачах, основной целью которых является вычисление интегралов электронной концентрации, например в задачах определения поправок к задержкам распространения радиосигналов от спутников.

В третьей главе диссертации приводятся результаты проверки работоспособности алгоритмов и изучение их возможностей на различных модельных распределениях. Тестирование проводилось для территории Европы и прилегающих областей. Алгоритм тестирования состоял из следующих этапов: 1) выбиралась аналитическая модель ионосферы, 2) выбиралась конфигурация спутников и станций, 3) вычислялись интегралы электронной концентрации и их производные по времени, 4)строилась реконструкция, 5) проводилось сравнение с исходной моделью.

В первом параграфе проводится моделирование реконструкции различных моделей при условии квазиравномерного распределения станций по европейской территории. Для исследования принципиальной возможности восстановления поля плотности электронов было использовано 149 станций.

В начале параграфа приведены реконструкции простейшего модельного распределения, содержащего суточный и широтный градиенты, одиночной неоднородности и комплексной модели, включающей кроме градиента два эллиптических возмущения разных размеров и провал в северных широтах, иллюстрирующий главный ионосферный провал. По результатам сравнения можно сделать следующие выводы о точности методов. Относительная ошибка восстановления ТЕС для модели простого градиента не превышает 5% и, как правило, находится на уровне 2%. При реконструкции одиночного возмущения ошибки достигли 20%, что, по-видимому, связано с наличием резких градиентов и с конфигурацией спутников. Для комплексной модели ошибки не превышают 7-8 %.

Затем следует анализ влияния плотности распределения станций на ошибки реконструкции на конфигурациях из 110, 70 и 50 станций, и

пример реконструкции для 600 равномерно распределенных станций. Такая плотность станций соответствует плотности в центральной части Европы. Показано, что при этом можно увеличить в два раза детализацию реконструкции, но существенного увеличения точности достичь уже не удается, поскольку при такой плотности станций основным фактором, влияющим на качество реконструкции, является распределение спутников.

Во втором параграфе приводится анализ влияния на реконструкцию различных шумов в исходных фазовых данных и в координатах и скоростях спутников. Для зашумления данных использовались нормально распределенные случайные последовательности с нулевым математическим ожиданием и среднеквадратическим отклонением 3 ТЕСи и ЮТЕСи. Зашумленные данные обрабатывались программой предобработки данных, в которой для вычисления дифференциальных данных используется сглаживание. Поэтому очевидно, что некоррелированный шум должен слабо влиять на реконструкцию. Это видно на результатах реконструкции. Для шума 3 ТЕС11 ошибки увеличились на 3% и достигли примерно 10%, а для шума 10 ТЕСи - 12%. Заметим, что ТЕС, вычисленный по реальным фазовым данным имеет гораздо меньшую шумовую составляющую, чем в представленном моделировании (десятые доли ТЕСи), поэтому шумами реальных фазовых данных можно полностью пренебречь.

Влияние координат спутников на реконструкцию определяется алгоритмом построения проекционного оператора и, следовательно, поиском точек пересечения луча с сеткой дискретизации. Поэтому, учитывая большой радиус орбит спутников, очевидно, что ошибки в определении координат спутников не должны сильно влиять на реконструкцию. Так, например, смещение спутника на 200 км приведет к смещению кросс-ионосферной точки на величину порядка 2 км, т.е. примерно на 1% от размера ячейки разбиения. Тем не менее, было проведена реконструкция с учетом зашумления координат спутника гауссовым шумом с величиной среднеквадратического отклонения 200 км Как и ожидалось, ошибки при этом остались на прежнем уровне. Также было исследовано влияние наличия шума в скорости спутников. Для этого использовался гауссов шум со среднеквадратичным отклонением 0.7 км/с, что составляет приблизительно 20% от линейной скорости. Однако, даже такие вариации скорости привели к увеличению ошибок не более, чем на 3-4 %. Таким образом, учитывая достигнутые к настоящему моменту точности определения параметров спутниковых орбит можно сделать вывод, что погрешностями в определении координат и скоростей спутников можно пренебречь.

В третьем параграфе приведена реконструкция модельного распределения для реальной геометрии станций и спутников. Только такое моделирование, проведенное для исследуемого региона, способно дать информацию о применимости алгоритма в данном конкретном случае, а так же подобрать наиболее оптимальные параметры реконструкции, как-то

размер области реконструкции, сетку дискретизации, количество итераций и последовательность типов итераций. В целом, можно сказать, что в области покрытой станциями модель восстанавливается достаточно качественно, ошибки не превышают 10%. Для определения области, в которой возможно восстановление информации об ионосфере удобно использовать карты подионосферных точек.

В четвертой главе диссертации обсуждаются различные особенности исходных данных и методы их обработки. Для получения информации об ионосфере различные методы используют либо данные по групповым задержкам, либо данные фазовых измерений. Формулы для вычисления интегралов электронной концентрации (ТЕС) вдоль трасс распространения радиосигналов для различных типов данных приведены в §2.2. Оба подхода имеют как достоинства, так и недостатки. Так, например, в случае использования фазовых данных необходимо учитывать неизвестную аддитивную постоянную - начальную фазу. С другой стороны, групповые данные содержат значительную шумовую составляющую.

Первый параграф посвящен особенностям данных по групповым задержкам. ТЕС, в случае использования групповых данных, вычисляется по формуле (2). Значительная зашумленность данных этого типа видна на рис. 1.

Также наблюдается сильная зависимость шумовой составляющей от зенитного угла спутника. Этот шум, как правило, составляет 5-10 ТЕСи, но иногда может достигать нескольких десятков ТЕСи. Наличие шума в фупповых данных затрудняет их использование для изучения ионосферы и особенно для детектирования коротких ионосферных возмущений.

-TEC TECU - Зенитный угол грд

I 1000 10Ю 1100 11И 1100 >00 SSO «00 ОМ ТОО 750

Время мин Время мин

рис 1. Зависимость зашумленности данных ТЕС, вычисленных по групповым задержкам, от зенитного угла спутника

Однако существует и другая проблема. На рис. 2 приведен пример данных для одного спутника и различных станций. Несмотря на близкое расположение станций, очевидно наличие некоторого пьедестала, различного для каждой из станций. Более того, значение ТЕС для станции

РЕМ.! в тот момент, когда спутник находится практически в зените, составляет -20 ТЕСи. Наличие этого пьедестала обуславливает невозможность использования групповых данных даже для оценки неизвестной начальной фазы в фазовых данных.

^ [, г Г) 1 | ■

20 ■ - 41---1-П-

1М 10Я

Время мин

рис 2 ТЕС, вычисленный по псевдодальностям для станций HERS, HELG, HERT и FFMJ и карта расположения этих станций с изображением подионосферных точек Использованы данные со спутника 05 на 01 апреля 2004 г

Второй параграф описывает особенности фазовых данных. ТЕС, в случае использования фазовых данных, вычисляется по формуле (1).

Время, мин

рис. 3. Графики значений Ц и 1~2 для станции АМКК и спутника 18 на 01 апреля 2004 г

К основным особенностям фазовых данных следует отнести их неравномерность, а также наличие разрывов и скачков. Основной массив

данных следует с частотой два измерения в минуту. Однако, как показано в этом параграфе, некоторые станции могут выдавать данные реже - одно измерение в минуту, а некоторые чаще - 1 измерение за 15 сек, 5 сек и даже 1 сек. На рис. 3 приведен пример фазовых данных. Скачки в данных образуются при сбоях в работе станций. В этом случае, как правило, происходит рестарт внутренних генераторов частоты, в результате которого фазовые данные обнуляются (т.е. меняется неизвестная начальная фаза). Кроме того, возможно обнуление не обоих, а только одного типа данных, либо лишь частичная потеря циклов. Перечисленные особенности необходимо учитывать при обработке данных

В третьем параграфе предложен алгоритм предварительной обработки фазовых данных перед использованием их в программе построения модели ионосферы. Не вдаваясь в подробности, перечислим основные пункты этого алгоритма:

1. Вычисляется значение ТЕС по фазовым данным (в дальнейшем все операции производятся именно с вычисленными значениями ТЕС)

2. Для учета разрывов, данные группируются в «группы непрерывности»

3. Если соседние группы содержат достаточно большое количество данных, то они склеиваются в одну группу путем смещения одной из них на константу

4. Данные каждой из групп непрерывности сглаживаются. Для этого используется метод, аналогичный методу скользящего среднего, с тем отличием, что внутри интервала усреднения данные апроксимируются не константой, а полиномом 2-го порядка с помощью метода наименьших квадратов.

5. Вычисляется производная сГГЕОск

6. Данные пересчитываются на более грубую временную сетку для сокращения времени вычислений и повышения устойчивости задачи.

В пятой главе диссертации приведены примеры использования предложенных в данной работе алгоритмов для обработки реальных данных.

В первом параграфе в качестве примера использования разработанного программного обеспечения приведена реконструкция вертикального ТЕС, полученного по модели толстого слоя, в спокойный, в геомагнитном отношении, период. В качестве такого периода была выбрана дата 01 апреля 2004 г. На реконструкции четко виден широтный и долготный градиенты, а также, перемещение области повышенной концентрации, связанной с электромагнитным солнечным излучением, на освещенной Солнцем стороне Земли. Как и следовало ожидать реконструкция представляет достаточно ровную ионосферу, без резких возмущений.

Во втором параграфе приводится реконструкция ионосферы в период сильнейшей геомагнитной бури конца октября 2003 г., а также анапиз полученных результатов и сравнение их с данными сети ионозондов и с

результатами двумерной среднеорбитальной спутниковой радиотомографии.

Заметим, что ряд особенностей, например значительные колебания данных с периодом до 20 мин и значительными амплитудами, заставили внести некоторые корректировки в параметры алгоритмов предобработки данных и построения модели, в частности, уменьшить интервал сглаживания данных и интервал построения реконструкций до 20 мин Примеры исходных данных показаны на рис. 4 и рис. 5.

рис 4 ТЕС, вычисленный по фазовым Рис 5 ТЕС, вычисленный по фазовым

Несколько примеров реконструкций приведено на рис. 6. Диссертация содержит полный список реконструкций с 19:40 по 01:00.

Первые проявления возмущения стали заметны в 17:00-17:20 иТ. Повышение концентрации происходило в этот период преимущественно в северных широтах - севернее 60-й параллели. Значительного уровня возмущение впервые достигло в 19:40 ЦТ, за которым следует своеобразное плато постоянного (в среднем по территории) уровня возмущения вплоть до 20:40 Ш\ когда наблюдается начало следующего увеличения концентрации. Своего максимума возмущение достигает приблизительно в 21:30-22:00 иТ, захватывая при этом все большие территории, в том числе и расположенные южнее, вплоть до 50-го градуса северной широты. После этого начинается плавный спад до 23:00 иТ, за которым идет следующий максимум. Заметим, что, начиная с реконструкции 00:20 иТ в районе станции NYA1, расположенной на о. Шпицберген, не наблюдается никаких возмущений. Это свидетельствует о том, что в этот период ионосфера в областях севернее 75° была относительно спокойна, в то время как основное возмущение сместилось к югу. Такой вывод подтверждается также анализом «сырых» данных станции ЫУА1. Примерно к 01:30 ЦТ возмущенная область исчезает полностью. Последние следы возмущения видны на западе Европы в районе Франции и доходят до 40-й и даже до 30-й параллели.

t hours

данным для станции ЯЕУК и спутника 28

данным для станции 1(401 и спутника 11

рис 6. Примеры реконструкций вертикального ТЕС в период геомагнитной бури конца октября 2003 г

Для сравнения с данными ионозондов были выбраны ионозонды в Афинах (координаты 38.0М,23.6Е), в Чилтоне (51.6Ы 1 .ЗW) и в Фейрфорде (51,7М 1.8\№). Результаты сравнения критических частот для слоя Р2 представлены на рис. 7-рис. 9. Заметим, что, поскольку при реконструкции использовалась модель толстого параболического слоя с постоянной толщиной, то все поле электронов в реконструкции сконцентрировано именно в этом слое. С другой стороны предложенные методы хорошо восстанавливают значения ТЕС, т.е. интегралы электронной концентрации, что показано на моделировании в главе 3. Поэтому, если в реальности происходило уширение слоя, то алгоритм, для получения нужных значений интегралов, увеличивал величину концентрации в максимуме слоя, что приводит к завышенным значениям критических частот. Этот эффект необходимо учитывать при интерпретации результатов сравнения.

11 10 9-

»•• v

30 10 2003 ••

31 10 2003

12 00

-1-

00 00

Date

oooo

рис 7 Сравнение результатов реконструкции и данных ионозонда Athens

рис 8. Сравнение результатов реконструкции и данных ионозонда Chilton

11 -1

10-

—•— lonosonde data

Reconstruction

S 6

см

S 5-

30 10 2003

31 10 2003

12 00

1800

00 00

06 00

Date

рис 9 Сравнение результатов реконструкции и данных ионозонда

Как видно из реконструкции в Афинах на широте 38° возмущения практически отсутствовали. Сравнение с данными ионозонда показывает замечательное совпадение. Небольшое увеличение концентрации в момент окончания бури, связанное с распространением возмущения на южные территории, наблюдается как в реконструкции, так и в данных ионозонда.

Сравнение с данными ионозондов, расположенных севернее, в зоне основных возмущений наталкивается на значительно большие трудности, вследствие того, что в силу наличия сильных неоднородностей ионосферы их данные часто оказываются сбойными. Это, в частности, привело к тому, что в период бури данные ионозонда в Тромсё отсутствуют вовсе. Тем не менее, в данных по ионозондам в Чилтоне и в Фейрфорде видно значительное увеличение и сильные вариации концентрации в ночной период. Несколько заниженные по сравнению с реконструкцией значения критических частот свидетельствуют о том, что во время бури ионизация распространялась на значительно большие высоты, чем в спокойный период.

Также было проведено сравнение с двумерной реконструкцией, полученной по данным среднеорбитальных спутников на трассе Москва-Шпицберген. На рис. 10 представлены графики ТЕС, посчитанные по трехмерной и двухмерной реконструкциям. Следует отметить, что реконструкции, строго говоря, не являются мгновенными, а строятся по данным за определенный промежуток времени - двумерная реконструкция использует данные за примерно 20-минутный интервал времени (с 21:15 иТ до 21:35 иТ), а трехмерная - за 40-минутный интервал (с

21:00UT до 21:40 IJT) с линейно-убывающим весом для лучей на концах интервала. В то же время, как уже указывалось, ионосфера в это время претерпевала значительные изменения. Скорости ионосферной плазмы превышали 2000 км/ч, т.е. за 20 мин ионосферные структуры могли смещаться на сотни километров. Кроме того, трасса Москва-Шпицберген находится на самом краю области, покрытой станциями GPS, что негативно влияет на качество реконструкции. Учитывая все сказанное видно, что результаты реконструкций достаточно хорошо согласуются между собой.

60-

50-

ш 40

ш 30

•С 20

а> >

ю-

3D GPS Reconstruction

2D Radiotomography

-1—

—1

Latitude, deg

рис 10 Сравнение TEC, вычисленного по трехмерной реконструкции по данным GPS и по двухмерной радиотомографической реконструкции по данным среднеорбитальных навигационных спутников на время 21 25 UT

В заключении приведены основные результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, а именно:

I. Предложен метод построения приближенных дискретных проекционных томографических операторов в трехмерном случае с использованием различных типов аппроксимации поля электронной концентрации, при адаптивном моделировании трехмерных полей электронной концентрации с учетом временной зависимости. При аппроксимации поля в качестве базиса разложения в основном использовались локальные базисы, основанные на В-сплайнах порядков с нулевого по третий. На основе этого метода реализован томографический метод восстановления структуры поля электронной концентрации в ионосфере по дифференциальным фазовым данным высокоорбитальных навигационных спутников.

2. Предложена реализация модели толстого слоя как частного случая использования общего алгоритма разложения поля по локальному базису, при котором вертикальная составляющая базиса задается в виде параболы Модель толстого слоя, вследствие своей простоты и устойчивости, имеет гораздо лучшую точность по сравнению с полностью трехмерным распределением в задачах, основной целью которых является вычисление интегралов электронной концентрации, например в задачах определения поправок к задержкам распространения радиосигналов от спутников.

3. Исследованы основные особенности исходных экспериментальных данных, как фазовых, так и групповых. Выявлено наличие пьедестала зависящего от станции, в величине ТЕС, вычисленного по групповым данным, приведены примеры данных с пьедесталом, в частности вследствие наличия этого пьедестала данные по ТЕС с некоторых станций могут достигать даже значительных отрицательных значений. Предложены методы предобработки и фильтрации исходных фазовых данных от шумов, скачков и разрывов для приведения их к виду, пригодному для использования в программе построения моделей ионосферы.

4. Проведено компьютерное моделирование и показана возможность восстановления разработанным методом основных характерных ионосферных структур: градиентов, провала и локальных неоднородностей. Проанализированы возможности и условия применимости метода на аналитических модельных распределениях, описывающих характерные ионосферные структуры: градиенты концентрации, неоднородности и провалы ионизации. Изучено влияп!!» шумов в исходных данных на качество получаемых реконструкций.

5. Проведено адаптивное моделирование ионосферы в Европейском регионе по реальным данным за различные периоды времени. В частности, приведена модель ионосферы в период спокойной геомагнитной обстановки за 01.04.2004, а также в период сильнейшей геомагнитной бури 30-31 октября 2003г. На реконструкциях периода бури впервые были обнаружены крупномасштабные структуры повышенной ионизации в ночное время в северных широтах европейского региона. Проведенные сопоставления результатов реконструкций с данными ионозондов и результатами двумерных вертикальных сечений среднеорбитальной радиотомографии показали хорошее качество реконструкций.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Грушко Т.Ю., Кожарин М.А., Куницын В.Е., Исследование ионосферы по интегральным данным и адаптивные модели. // Третья Всероссийская научная конференция "Физические проблемы экологии", Москва, 2001, с. 20-21.

2 Захаров В.И., Зиенко A.C., Кожарин М.А., Константинов Э.М., Куницын В.Е., Радиозатменная и томографическая диагностика атмосферы на базе навигационной системы GPS // XX Всероссийская

конференция по распространению радиоволн, тезисы докладов, Нижний Новгород, 2002, с. 166.

Kunitsyn V.E., Kozharin MA., Nesterov I.A. Imaging or 4D Radio Tomography of the Ionosphere and Data Assimilation. "Atmospheric Remote Sensing using Satellite Navigation Systems", Special Symposium of the URSI Joint Working Group FG, 13-15 October 2003, Matera, Italy Abstracts, p.58.

Kunitsyn V.E., Kozharin M.A., Zakharov V.I., Zienko A.S. Reconstruction of ionospheric electron density distributions using assimilation ot GPS/GLONASS data. Geophysical Research Abstract, 2003, v.5, EAE03-A12494

5 Kunitsyn V.E., Kozharin M.A., Nesterov I.A. Possibilities of 4D Radio Tomography of the Ionosphere based on GPS data. International Beacon Satellite Symposium 18-22 October 2004 Trieste - Italy, Book of Abstracts. p.77.

6 Кожарин M.A., Куницын B.E. Детектирование и исследование временного развития крупных ионосферных структур с помощью данных навигационных спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС. Международная Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике, VII Конференция молодых ученых "Взаимодействие полей и излучения с веществом", 13-18 сентября 2004 г.. Программа и тезисы докладов, с.23.

7 Кожарин М.А., Куницын В.Е. Детектирование и исследование временного развития крупных ионосферных структур с помощью данных навигационных спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС. Труды VII Конференции молодых ученых "Взаимодействие полей и излучения с веществом", БШФФ 2004. Изд-во ИСЗФ СО РАН, Иркутск, 2004. с.60-63

8 Куницын В.Е., Кожарин М.А., Нестеров И.А Возможности глобальной и региональной томографии ионосферы при использовании данных сети GPS. "Физические проблемы экологии (экологическая физика)", 4-я Всероссийская научная конференция, 22-24 июня 2004 г., г Москва Тезисы докладов, стр. 19.

9 Куницын В.Е., Кожарин М.А., Нестеров И.А., Козлова МО Проявления гелиогеофизических возмущений конца октября 2003 года в ионосфере над Западной Европой по данным GPS-томографии и ионозондовых измерений. // Вестник МГУ, сер. физ., №6, 2004.

10 Куницын В.Е., Андреева Е.С., Кожарин М.А., Нестеров И.А, Радиотомография ионосферы с применением высокоорбитальных навигационных систем. // Вестник МГУ, сер. физ., №1, 2005.

Подписано в печать 07.12.2005 Формат 60x88 1/16. Объем 1.5 пл. Тираж 100 экз. Заказ № 166 Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119992 г.Москва, Ленинские горы, дЛ Главное здание МГУ, к. 102

aOOGA

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Кожарин, Максим Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1: МОДЕЛИ РЕГУЛЯРНОЙ ИОНОСФЕРЫ.

§1.1. Структура ионосферы.

§1.2. Типы моделей ионосферы.

§1.3. Эмпирические модели и сравнение модели IRI с результатами экспериментов.

§1.4. Аналитические модели.

§1.5. Адаптивные модели.

§ 1.6. Томографический подход к исследованию структуры ионосферы.

ГЛАВА 2: ТОМОГРАФИЯ ИОНОСФЕРЫ С ПОМОЩЬЮ ВЫСОКООРБИТАЛЬНЫХ СПУТНИКОВЫХ

НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ.

§2.1. История развития спутниковых навигационных систем.

§2.2. Возможность применения спутниковых навигационных систем в задаче оперативного мониторинга ионосферы.44

§2.3. Построение проекционных операторов.

§2.4. Получение реконструкции и особенности трехмерной томографии по данным высокоорбитальных снс.

§2.5. Учет зависимости плотности электронной концентрации от времени.

§2.6. Получение распределения ТЕС с помощью модели толстого слоя.

§2.7. Краткое содержание главы.

ГЛАВА 3: ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ АЛГОРИТМОВ

РЕКОНСТРУКЦИИ НА МОДЕЛЬНЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЯХ.

§3.1. Моделирование типичных ионосферных структур.

§3.2. Влияние шумов в исходных данных на реконструкцию.

§3.3. Реконструкция модельного распределения для реальной геометрии станций и спутников.

§3.4. Краткое содержание главы.

ГЛАВА 4: ПРЕДОБРАБОТКА ДАННЫХ.

§4.1. Особенности данных по групповым задержкам.

§4.2. Особенности фазовых данных.

§4.3. Алгоритмы предобработки фазовых данных.

§4.4. Краткое содержание главы.

ГЛАВА 5: РЕКОНСТРУКЦИИ ИОНОСФЕРЫ НА ОСНОВЕ РЕАЛЬНЫХ

ДАННЫХ GPS.

§5.1. Реконструкция типичного спокойного периода.

§5.2. Реконструкция ионосферы в период геомагнитной бури конца октября 2003 г.

§5.3. Краткое содержание главы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Методы и алгоритмы адаптивного моделирования ионосферы по данным высокоорбитальных навигационных систем"

Актуальность проблемы. В связи со значительным расширением области применения различных спутниковых систем, наблюдающимся в последнее время, задача изучения ионизированных слоев Земли, как среды распространения спутниковых радиосигналов, помимо сугубо научного, приобретает все более важный практический интерес.

Для учета влияния ионосферы применяются различные подходы. Наиболее распространенный из них - использование эмпирических моделей ионосферы. Однако такой способ имеет ряд ограничений в силу особенностей, присущих всем эмпирическим моделям. К таковым относится, например то, что все эмпирические модели описывает лишь некую усредненную, гладкую ионосферу, поскольку разрабатываются на основе обработки данных измерений за достаточно длительный промежуток времени. Кроме того, существующие модели значительно различаются по точности описания даже усредненной ионосферы и наиболее точные из них оказываются слишком сложными в реализации для широкого практического применения конечными пользователями. Используемая в настоящее время для учета ионосферы в системе GPS математическая модель задержек Клобушара зачастую не отражает даже такую характерную особенность экваториальной ионосферы как экваториальная аномалия [69]. Таким образом, описание ионосферы в период геомагнитных возмущений требует наличия текущей, оперативной информации о 4 состоянии ионосферы, а значит и адаптивного подхода к решению поставленной задачи.

Одним из способов, позволяющим получить эту информацию является применение методов спутниковой радиотомографии. В последние два десятилетия значительные успехи были достигнуты в разработке методов двумерной среднеорбитальной спутниковой томографии, позволяющих получать двумерные сечения ионосферы вдоль трасс пролета навигационных спутников таких систем, как TRANSIT и ЦИКАДА. Первые в мире томографические сечения были получены сотрудниками ПГИ и МГУ в 1990 г. Получаемые сечения довольно точны и детализированы. Размеры ячеек дискретизации достигают 20-30 км по горизонтали и 30-40 по вертикали, поэтому эти методы являются очень ценным инструментом изучения ионосферных процессов. Однако, для регионального мониторинга в радиотомографии с применением низкоорбитальных систем требуется развертывание сети линеек приемников, регистрирующих сигналы спутниковых навигационных систем первого поколения. В настоящее время на территории России действует одна такая цепочка - Москва-Мурманск-Шпицберген, кроме того, имеются цепочки в США, дополнительно на Аляске, в Европе (Великобритания и Скандинавия), Индии и Юго-восточной Азии, где по данным станций Манила-Шанхай за 1994-96 гг. была экспериментально исследована экваториальная аномалия. К сожалению, малое количество существующих спутников не позволяет получать такие сечения непрерывно. Интервал, получения реконструкций составляет от 20-40 мин до 4 часов.

Успех применения томографических алгоритмов к данным среднеорбитальных спутниковых систем породил идею применить аналогичный метод и для данных, получаемых от высокоорбитальных спутниковых систем, к которым, в частности, относится и GPS. Несмотря на различные трудности применения метода в данном случае он обладает рядом особенностей, позволяющих решать задачи о вычислении поправок, а также открывающих широкие перспективы для дальнейшего совершенствования метода. Во-первых, сигналы достаточно большого количества спутников систем GPS и ГЛОНАСС доступны непрерывно в любой точке земного шара. Во-вторых, развитие космической части этих систем и, в частности, развертка системы Galileo и завершение развертки системы ГЛОНАСС позволит значительно, более чем в два раза, увеличить число видимых в данной точке спутников и, следовательно, повысить точность и детализацию получаемых реконструкций. В-третьих, уже в настоящее время существует широкая сеть наземных приемных станций, принимающих сигналы систем GPS и ГЛОНАСС и сохраняющих полученные данные в специальном формате, причем плотность ее на территории Европы и США такова, что позволяет уже сейчас осуществлять непрерывный мониторинг ионосферы в этих регионах. Все данные этой сети находятся в открытом доступе и доступны через интернет. В-четвертых, эта сеть постоянно расширяется, что так же позволит в дальнейшем увеличить детализацию.

Цель работы. Разработка, реализация и апробация методов, алгоритмов и программ для реконструкции трехмерной структуры ионосферы с учетом зависимости поля электронной концентрации от времени на основе представления поля в виде разложения по локальным базисным функциям. Входными данными для методов и алгоритмов реконструкции электронной концентрации, по которым производится адаптация модели ионосферы, являются данные региональных сетей приемников GPS/TJ1 ОН АСС.

Новизна результатов:

Научная и практическая ценность. Использование методов и программ, разработанных в данной работе, позволит проводить непрерывное исследование и региональный мониторинг ионосферы, а ожидаемое дальнейшее совершенствование 6 технической базы приведет к увеличению точности и детализации получаемой информации. Полученные результаты могут быть использованы для вычисления ионосферных поправок к времени распространения сигналов спутниковых радионавигационных систем, что даст увеличение точности работы этих систем и позволит расширить область их применения.

Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на российских и международных конференциях: «Физические проблемы экологии» (Москва, 2001 и 2004), XX и XXI Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (Нижний Новгород, 2002, Йошкар-Ола, 2005), Объединенной ассамблее геофизических союзов EGS - AGU - EUG - Joint Assembly (Франция, Ницца, 2003), Special Symposium of the URSI Joint Working Group FG (Италия, Матера, 2003), International Beacon Satellite Symposium (Италия, Триест, 2004), International Symposium on Solar Extreme Events of 2003: Fundamental Science and Applied Aspects (Москва, 2004), Международная Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике (Иркутск, 2004), XXVIII Генеральной Ассамблее URSI (Индия, Дели, 2005). По теме диссертации опубликовано 14 работ в отечественных и зарубежных изданиях [89-102].

Основные результаты и защищаемые положения.

5. Проведено адаптивное моделирование ионосферы в Европейском регионе. В частности, в период спокойной ионосферы, а также в период сильнейшей геомагнитной бури 30-31 октября 2003 г. На реконструкциях периода бури впервые были обнаружены крупномасштабные структуры повышенной ионизации в ночное время в северных широтах европейского региона. Проведенные сопоставления результатов реконструкций с данными ионозондов и результатами двумерных вертикальных сечений среднеорбитальной радиотомографии показали хорошее качество реконструкций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка используемой литературы. Работа содержит 86 страниц машинописного текста, 2 таблицы и 128 рисунков.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Кожарин, Максим Анатольевич

Заключение

В ходе работы над диссертацией были получены следующие основные результаты:

1. Предложен метод построения приближенных дискретных проекционных томографических операторов в трехмерном случае с использованием различных типов аппроксимации поля электронной концентрации, при адаптивном моделировании трехмерных полей электронной концентрации с учетом временной зависимости. При аппроксимации поля в качестве базиса разложения в основном использовались локальные базисы, основанные на В-сплайнах порядков с нулевого по третий. На основе этого метода реализован томографический метод восстановления структуры поля электронной концентрации в ионосфере по дифференциальным фазовым данным высокоорбитальных навигационных спутников.

2. Предложена реализация модели толстого слоя как частного случая использования общего алгоритма разложения поля по локальному базису, при котором вертикальная составляющая базиса задается в виде параболы. Модель толстого слоя, вследствие своей простоты и устойчивости, имеет гораздо лучшую точность по сравнению с полностью трехмерным распределением в задачах, основной целью которых является вычисление интегралов электронной концентрации, например в задачах определения поправок к задержкам распространения радиосигналов от спутников.

4. Проведено компьютерное моделирование и показана возможность восстановления разработанным методом основных характерных ионосферных структур: градиентов, провала и локальных неоднородностей. Проанализированы возможности и условия применимости метода на аналитических модельных распределениях, описывающих характерные ионосферные структуры: градиенты концентрации, неоднородности и провалы ионизации. Изучено влияние шумов в исходных данных на качество получаемых реконструкций.

В заключении выражаю искреннюю признательность и благодарность Куницыну В.Е. за постановку задачи и поддержку в процессе работы над ней, а также Андреевой Е.С. за ценные указания и предоставление результатов среднеорбитальной спутниковой томографии, Назаренко М.О. за проявленный интерес к работе и помощь в поиске данных, Захарову В.И. за критические замечания и помощь в тестировании программ и всем остальным, кто, так или иначе, способствовал выполнению данной работы.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Кожарин, Максим Анатольевич, Москва

1. Ратклифф Дж. Введение в физику ионосферы и магнитосферы, Москва: "Мир", 1975.

2. Иванов-Холодный Г.С., Никольский Г.М., Солнце и ионосфера, Москва: "Наука", 1969.

3. Акасофу С.И., Чепмен С., Солнечно-земная физика, Москва: "Мир", 1975.

4. Бауэр 3., Физика планетных ионосфер, Москва: "Мир", 1976.

5. Казимировский Э.С., Кокоуров В.Д., Движения в ионосфере. Новосибирск: Наука, 1979.

6. Кравцов Ю.А., Фейзуллин З.И., Виноградов А.Г. Прохождение радиоволн через атмосферу Земли. - М.: Радио и связь, 1983.

7. Иванов-Холодный Г.С., Михайлов А.В., Прогнозирование состояния ионосферы, Ленинград: "Гидрометеоиздат " 1980.

8. Афраймович Э.Л. Интерференционные методы радиозондирования ионосферы. -М. : Наука, 1982.

9. Modern Ionospheric Science. Editors: H.Kohl, R.Ruster, K.Schlegel, EGS, Berlin, 1995.

10. D. Bilitza (ed.), International Reference Ionosphere 1990, NSSDC 90-22, Greenbelt, Maryland, 1990.

11. K. Rawer, D. Bilitza, and S. Ramakrishnan, Goals and Status of the International Reference Ionosphere, Rev. Geophys., 16, 177-181, 1978.

12. K. Rawer, S. Ramakrishnan, and D. Bilitza, International Reference Ionosphere 1978, International Union of Radio Science, URSI Special Report, 75 pp., Bruxelles, Belgium, 1978.

13. K. Rawer and С. M. Minnis, Experience with and Proposed Improvements of the International Reference Ionosphere (IRI), World Data Center A for Solar-Terrestrial Physics, Report UAG-90, 235pp., Boulder, Colorado, 1984.

14. Lloyd J.L., Haydon G.W., Lucas D.L. and Teters L.R., Estimating the perfomrance of telecommunication systems using the ionospheric transmission channel, Nat. Telecomm. and Inform. Admin. Report, Boulder, Colorado, 1978.

15. Bent R.B., Llewellyn S.K. and Schmid P.E. Ionospheric refraction corrections in satellite tracking, Space Res., 12, 1186-1194, 1972.

16. R. B. Bent, S. K. Llewellyn, and P. E. Schmid, A Highly Successful Empirical Model for the Worldwide Ionospheric Electron Density Profile, DBA Systems, Melbourne, Florida, 1972.

17. R. В. Bent, S. К. Llewellyn, and M. K. Walloch, Description and Evaluation of the Bent Ionospheric Model, DBA Systems, Melbourne, Florida, 1972. (B26740)

18. S. K. Llewellyn and R. B. Bent, Documentation and Description of the Bent Ionospheric Model, Air Force Geophysics Laboratory, Report AFCRL-TR-73-0657, Hanscom AFB, Massachusetts, 1973.

19. Chiu Y.T., An improved phenomenological model of ionospheric density, JAtmos. Terr.Phys., 37, 1563-1570, 1975.

20. В. K. Ching and Y. T. Chiu, A Phenomenological Model of Global Ionospheric Electron Density in the E-, F1-, and F2-Regions, J. Atmos. Terr. Phys. 35, 1615, 1973.

21. D. Bilitza, K. Rawer, and S. Pallaschke, Study of Ionospheric Models for Satellite Orbit Determination, Radio Sci. 23, 223, 1988.

22. Mitra A.P., and Rowe J.N., Ionospheric effects of solar flares VI changes in D region ion chemistry during solar flares, J. Atmos. Terr. Phys., 34, 795-806, 1972.

23. Burns C.J., Turunen E., Matveinen H., Ranta H., Hargreaves J.K., Chemical modeling of the quiet summer D and E regions using EISCAT electron density profiles, J. Atmos. Terr. Phys. 53, 115-134, 1991.

24. Sojka J.J., and Schank R. W, A theoretical study of the global F-region for June solstice, solar maximum, and low magnetic activity, J. Geophys. Res., 90, 5285-5298, 1985.

25. Fuller-Rowell T.J., Rees D., Quegan S., Moffett R.J., and Bailey G.J., Interactions between neutral thermospheric composition and the polar ionosphere using a coupled ionosphere-thermosphere model, J. Geophys. Res., 92, 7744-7748, 1987.

26. Fuller-Rowell T.J., Codrescu M. V., Quegan S., Moffett R.J., Response of the thermosphere and ionosphere to geomagnetic storms, J. Geophys. Res., 99, 3893-3914, 1994.

27. Roble R.G., and Dickinson R.E., How will changes in carbon dioxide and methane modify the mean structure of the mesosphere and thermosphere?, Geophys. Res. Lett., 16, 14411444, 1989.

28. Millward G.H., Moffett R.J., Quegan S., Fuller-Rowell T.J., A coupled thermosphere-ionosphere-plasmosphere model, CTIP, in STEP Handbook on ionospheric models (ed. R.W. Schunk), in press, 1996.

29. Schank R. W„ and Sojka J.J., A three-dimensional time-dependent model of the polar wind, J. Geophys. Res., 94, 8973-8991, 1989.

30. Anderson D.N., Forbes J.M., and Codrescu M„ A fully analytic low- and middle-latitude ionospheric model, J. Geophys. Res., 94, 1520-1524, 1989.

31. Anderson D.N., Mendillo M., and Hermiter В., A semi-empirical low-latitude ionospheric model, Radio Sci., 22, 292-306, 1987.

32. Daniell R.E., Brown L.D., Anderson D.N., Fox M.W., Doherty P.H., Decker D.T., Sojka J.J., and Schunk R.W., PIM: A global ionospheric parametrization based on first principles models, Radio Sci., 1996.

33. Daniel R.E., Brown L.D., Anderson D.N., WhalenJ.A., Sojka J. J., and Schunk R.W., Proc. STP Symposium in Australia, 1990.

34. Danilov A.D., and Smirnova Comparison of IRI with rocket measurements, Adv. Space Res. 12, 125, 1994.

35. Danilov A.D., Bilitza D., Gulyaeva T.L., Oyama K.I., Current state and forecasting abilities of the IRI model.

36. Danilov A.D., and Smirnova, Comparison of the F2-Layer half-widths given by the IRI with rocket data, Adv. Space Res., 16, 125, 1995.

37. Danilov A.D., and Smirnova Improving the 75 to 300 km ion composition model of the IRI with rocket data, Adv. Space Res., 15, 171, 1995.

38. Gulyaeva T.L., Progress in ionospheric informatics based on electron density profile analyses of ionograms, Adv. Space res., 7, 39, 1987.

39. Куницын B.E., Терещенко Е.Д. Томография ионосферы. Москва: Наука, 1991.

40. Kunitsyn V.E., E.D.Tereshchenko, E.S.Andreeva, B.Z.Khudukon. Investigations of the Ionosphere by Satellite Radiotomography // Int. Journal of Imaging Syctems and Technology. 1994, V.5, No.2, P. 112-127.

41. Kunitsyn V.E., E.D.Tereshchenko, E.S.Andreeva, et al, Radiotomographic Investigations of Ionospheric Structures at Auroral and Middle Latitudes // Annales Geophysicae, 1995. V.13, No. 12, P.l351-1359.

42. Andreeva E.S., Franke S.J., Kunitsyn V.E., Yeh КС. Some features of the Equatorial Anomaly revealed by Ionospheric Tomography // Geophysical Research Letters, 2000, Vol.27, No 16, P. 2465-2468.

43. Андреева E.C., Грушко Т.Ю., Куницын В.Е. Адаптивные модели ионосферы по данным спутникового зондирования, Тезисы Всероссийской научной конференции "Физические проблемы экологии"М., 1977, с.5-6.

44. Foster J.C., V.E.Kunitsyn, E.D.Tereshchenko, et al, Russian-American Tomography Experiment//Int. Journal of Imaging Systems and Technology. 1994, V.5, No.2, P.148-159.

45. Nisbet J.S. On The Construction And Use of The Pennsylvania State MK1 Ionospheric Model. Ionospheric Res. Lab., 1970. 98p. (Pa State Univ. Sci. Rep.; N 355)

46. Nisbet J.S. Models of The Ionosphere. Ionospheric Res. Lab., 1974, p. 245-258 (Pa State Univ. Sci. Rep.; N362)

47. Кринберг И.А., Выборов В.И., Кошелев B.B., Попов В.В., Сутырин Н.А. Адаптивная Модель Ионосферы, Москва, Наука, 1986.

48. A.J.Mannucci, B.D.Wilson, D.N.Yuan, С.Н.Но, U.J.Lindqwister, and T.F.Runge, "A Global Mapping Technique For GPS-Derived Ionospheric Total Electron Content Measurements", Radio Science, 33, 3,pp. 565-582, 1998.

49. E.Sardon, and N Zarraoa, "Estimation Of Total Electron Content Using GPS Data-How Stable Are The Differential Satellite And Receiver Instrumental Biases ", Radio Science, 32, pp. 1899-1910, 1997.

50. G.ELanyi, and T.Roth, "A Comparison Of Mapped And Measured Total Electron Content Using Global Positioning System And Beacon Satellite Observations ", Radio Science, 23, pp. 483-492, 1988.

51. D.Bilitza, M.Hernandez-Pajares, J.M.Juan, and J.Sanz "Comparison between IRI and GPS-IGS Derived Electron Content during 1991-1997", Phys. Chem. Earth(C), Vol. 24, №. 4, pp. 311-319, 1999.

52. A.J.Mannucci, B.A.Iijima, U.J.Lindqwister, X.Pi, L.Sparks, and B.D.Wilson, GPS and Ionosphere, in book Review of radio science, Oxford University Press, pp. 625-665, 1999.

53. A.J.Coster, E.M.Gaposchkin, andL.Thornton, 1992, "Real-Time Ionospheric Monitoring System Using The GPS", Navigation, 39, pp. 191-204.

54. J. Felt ens, 1998, "Chapman Profile Approach for 3-D Global TEC Representation", in J.M.Dow, J.Kouba, and T.Springer (eds.), Proc. of the 1998 Analysis Center Workshop, Darmstadt, February 9-11, pp 285-297

55. A.J.Hansen, T. Walter, Т., and P.Enge, "Ionospheric Correction Using Tomography", in Proc. of the Tenth International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation ION-GPS 97, pp. 249-257, 1997.

56. B.M.Howe, K.Ruciman, and J.A.Secan, "Tomography of The Ionosphere 4-Dimensional Simulations", Radio Science, 33, l,pp. 109-128, 1998.

57. D.A.Imel, 1994, "Evaluation of TOPEX/Poseidon Dual-Frequency Ionosphere Correction", Journal of Geophysical Research O, 99, CI 2, pp. 24895-24906.

58. E.J.Christensen, B.J.Haines, S.J.Keihm, C.S.Morris, R.A.Norman, G.H.Purcell, B.G.Williams, B.D.Wilson, and G.H.Born, 1994, "Calibration of TOPEX/Poseidon at Platform Harvest", Journal of Geophysical Research Oceans, 99, С12, pp. 24465-24485.

59. C.M.Ho, B.D.Wilson, A.J.Mannucci, U.J.Lindqwister, and D.N.Yuan, "A Comparative Study Of Ionospheric TEC Measurements and Models With TOPEX", Radio Science, 32, 4, pp. 1499-1512, 1997.61. http://podaac. ipl. nasa. go v/cdrom/tecd/pop. htm.

60. Ерухимов JI.M., Рыжов Ю.А., Геомагнетизм и аэрономия, 1968, т. 8, №4, с. 657.

61. Ерухимов Л.М., Максименко О.И. в кн.: Дрейфы и неоднородности в ионосфере. -М.: Наука, 1973, с.41.

62. Гайлит Т.А., Гусев В.Д., Ерухимов JI.M. и др. Изв. вузов Радиофизика, 1983, т. 26, No 7; 795.

63. X.Pi, A.J.Mannucci, U.J.Lindqwister, and C.M.Ho, 1997, "Monitoring Of Global Ionospheric Irregularities Using The Worldwide GPS Network", Geophysical Research Letters, 24, 18, pp. 2283-2286.

64. M.C.Kelley, D.Kotsikopoulos, T.Beach, D.Hysell, and S.Musman, 1996, "Simultaneous Global Positioning System And Radar Observations Of Equatorial Spread-F At Kwajalein", Journal of Geophysical Research Space Physics, 101, A2, pp. 2333-2341.

65. Грузман И.С. Математические задачи компьютерной томографии. // СОЖ, 2001, No 5, с. 117-121.

66. Ole Orpen, Henk Zwaan Dual Frequency DGPS Service for combating Ionospheric Interference // Journal of Navigation, 2001, V.54, Issue 01

67. Хелгасон С. Преобразование Радона. //Москва, "Мир", 1983.

68. Физическая энциклопедия, ред. Прохоров A.M. // Москва, "Большая Российская Энциклопедия", 1998.

69. Ценсор Я. методы реконструкции изображений, основанные на разложении в конечные ряды. //ТИИЭР, 1983. Т. 71. №3. с. 148-160.73. http://www.internavisation.ru/pase.phtml?p=50 (ФГУПНТЦ«Интернавигация»)

70. Ю.А. Соловьев. Системы спутниковой навигации. // Москва, Эко-Трендз, 2000. -267 с.

71. В. Hofmann-Wellenhof, Н. Lichtenegger, J. Collins. Global Positioning System: Theory and Practice //Springer, 1997. 389 P.

72. E. Поваляев, С. Хуторной. Системы спутниковой навигации ГЛОНАСС и GPS. Часть 1. // ChipNews, 2001, #10. (http://www.chip-news.ru/archive/chipnews/)

73. Статус системы Navstar (GPS) http://www. navgeocom. ги/gps/status/cgnc. htm

74. Статус системы ГЛОНАСС http://www.navseocom.ru/eps/status/rssi.htm

75. Why Europe needs Galileo http://www.esa.int/esaNA/GGG0H750NDC salileo O.html

76. What is Galileo httv://www. esa. int/esaNA/GGGMX650NDC salileo 0. html

77. Еврокомиссия привлекает Южную Корею к участию в проекте Galileo -http://news.cosmoport.eom/2005/05/26/l.htm

78. Werner Gurtner. RINEX: The Receiver Independent Exchange Format Version 2.10

79. N. Jakowski. TEC Monitoring Using Satellite Positioning Systems. // Modern Ionospheric Science, 1996, EGS, 371-390.

80. N. Jakowski, H.-D. Bettac. Proposal for an ionosphere/plasmosphere monitoring system. //Annates Geophysicae, 1994. V.12, No.5. P.431-437.

81. В.И. Денисов. Введение в электродинамику сплошных сред. //Москва, МГУ, 1989.

82. R.J. Milliken, C.J.Zoller. Principle of Operation of NAVSTAR and System Characteristics. //NAVIGATION: Journal of the Institute of Navigation, 1978, Vol. 25, No. 2, Summer

83. National Imagery and Mapping Agency. Department of Defense World Geodetic System 1984: Its Definition and Relationships with Local Geodetic Systems. // NIMA TR8350.2 Third Edition 3 January 2000.

84. E.B. Шикин, А.И. Плис. Кривые и поверхности на экране компьютера. Руководство по сплайнам для пользователей. //Москва, "ДИАЛОГ-МИФИ", 1996. -237 Р

85. Грушко Т.Ю., Кожарин М.А., Куницын В.Е., Исследование ионосферы по интегральным данным и адаптивные модели. // Третья Всероссийская научная конференция "Физические проблемы экологии", Москва, 2001, с. 20-21.

86. Kunitsyn V.E., Kozharin M.A., Zakharov V.I., Zienko A.S. Reconstruction of ionospheric electron density distributions using assimilation of GPS/GLONASS data. Geophysical Research Abstract, 2003, v.5, EAE03-A12494

87. Kunitsyn V.E., Kozharin M.A., Nesterov LA. Possibilities of 4D Radio Tomography of the Ionosphere based on GPS data. International Beacon Satellite Symposium 18-22 October 2004 Trieste Italy, Book of Abstracts, p. 77.

88. Куницын B.E., Кожарин M.A., Нестеров И.А., Козлова М.О. Проявления гелиогеофизических возмущений конца октября 2003 года в ионосфере над Западной Европой по данным GPS-томографии и ионозондовых измерений. // Вестник МГУ, сер. физ., №6, 2004.

89. Куницын В.Е., Андреева Е.С., Кожарин М.А., Нестеров И.А., Радиотомография ионосферы с применением высокоорбитальных навигационных систем. // Вестник МГУ, сер. физ., №1, 2005.

Информация о работе

Кожарин, Максим Анатольевич
кандидата физико-математических наук
Москва, 2005
ВАК 25.00.29

Диссертация

Методы и алгоритмы адаптивного моделирования ионосферы по данным высокоорбитальных навигационных систем - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы