Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Радиотомографические исследования ионосферы на трассе Москва-Архангельск

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Радиотомографические исследования ионосферы на трассе Москва-Архангельск"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ II ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.ВЛОМОНОСОПА

ОД Физ1Р!сскш1 факультет

Ла правах рукописн УДК 550.383

Разшкои Олег Георгиевич

РАДПОТОМОГРАФ1 1ЧЕСКНЕ ИССЛ ЕДОВА1П Ш I ЮНО СФЕРЫ НА ТРАССЕ МОСКВА-АРХЛ111*ЕЛЬСК

0-1.00.23 - физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

•Москва - 1997

Работа выполнена в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн и на физическом факультете Московского государственного университета имени М.ВЛомоносова.

Научные руководители:

доктор физ.-мат. наук, профессор Кушщъш В.Е. док.ор физ.-мат. наук Ружни ЮЛ.

Официальные оппоненты:

доктор фнз.-мат. наук, профессор Гальперин Ю.И. кандидат фнз.-мат. наук Алпатов В.В.

Ведушпя организация:

Научно-исследовательский институт ядерной физики при Московском государственном университете имени М.ВЛомоносова.

Защита состоится /¿¿¿¿лУ 1997 г. в

часов на заседании Диссертационного Совета Д.053.05.81 в Московском государственном университете имени М.ВЛомоносова по адресу: 119899, г. Москва, Воробьевы горы, МГУ, физический факультет, аудитория С"-^/С^Г

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан

^ _ 1997 г.

Ученый секретарь кандидат физ.-мат. наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена исследованию средпсшнротной и субаврорпльноп нонос(|)ср1>1 на трассе Москва Архангельск методами спутниковой радиотомографии, дальнейшему развитию и ; совершенствованию этих методоп и аппаратуры для . радиотомографнческих измерении.

Актуальность проблемы. Физические явления, происходящие н области авроральной и субанроргиыюй ионосферы, по-прежнему являются пр дметом многочисленных исследований. В последние годы подобные работы получили дополнительный стимул благодаря использованию высокоэффективного метода диагностики ионосферы - спутпп опой раднотомографии, удачно сочетающего н себе хорошо разработанную и течении нескольких десяткой лег методику измерении и развитую техническую базу методоп .дистанционного зондирования с возможностями современной вычислительной техники, позволяющей п течение малого времени манипулировать колоссальными объемами данных и рамках сложнейших численных алгоритмов. Именно благодаря бурному развитию компьютерной техник» стала возможной практическая реализация томографических методов, теоретические основы которых заложены еще в начале века.

Информация о структуре ионосферной плазмы актуальна для многих прикладных задач, как чисто геофизических, таких как изучение структуры ионосферных слоев и ра положение их максимумов электронной концентрации, исследование г авпого ионосферного провала и других, так и задач радиофизики в связи с проблемой распространения радиоволи, имеющей очевидное практическое значение для радиосвязи, локации, навигации. Метод спутниковой раднотомографии позволяет в течение короткого интервала времени (15-20 минут) получить глобальную информацию о структуре ионосферы в виде сечении распределения электронной плотности до цысоты орбиты спутника и ил расстояниях в несколько тысяч километров,' поэтому при успешном развитии системы спутниковой раднотомографии в нсрспектние станет возможным осущс твллть непрерывный глобальный мониторинг распределения электронной концентрации и эффективной частоты соударении, общую диагностику состояния параметров ионосферы, Таким .образом, дальнейшее совершенствование методики и аппаратуры для радиотомографических исследований ионосферы, •скопление и систематизация данных, повышение точности измерений является весьма актуальной задачей.

Существует также немало методологических проблем,

касающихся вычислительных аспектов радиотомографии глобальных ионосферных структур. Математически эта проблема формулируется как а..дача с неполными данными, и применение классических алгоритма томографии здесь практически невозможно, а ' использование прямых итерационных алгебраических алгоритмов не всегда позволяет получить высокую точность при реконструкции н является довольно сложным в техническом плане, так как предполагает вычислительные операции с матрицами большой • размерности. Поэтому разработка новых подходов к задаче спутниковом раднотомографии ионосферы и совершенствование методов се решения, позволяющее улучшить качество реконструкции, также являются достаточно актуальными.

Наконец, в связи с тем, что ионосфер:!, особенно в высоких н протах, очень изменчива, было бы весьма шпересно с научной с точки зрения прослеживать динамику ионосферных структур в реальном масштабе времени. Такой непрерывный мониторинг возможен лишь в том случае, если радпотомографичсский эксперимент автоматизировал па всех стадиях: от синхронного приема спутниковой информации в нескольких точках, удаленных на сотни и тысячи километров друг от друга, се накопления, оптимального храпения, предварительного анализа н оперативной передачи п центр обработки до детального анализа и получения томографа 1ескнх реконструкций в виде сечений распределения электронной концентрации и других параметров ионосферы в районе мониторинга. В настоящее время эта задача еще полностью не решена, и каждая итерация в процессе ее решения несомненно актуальна. Ыа основании всего вышеизложенного можно сформулировать !

Цель работы: разработка, создание и апробация автоматизированных программно-аппаратных комплексов для приема и предварительной обработки спутниковой информации, организация на их основе томографической системы для исследования ионосферы методами лучевой компьютерной радиотомографии н проведение серий экспериментов на трассе Москиа-Архангельск.

Научная новизна. Главным результатом работы является разработка, создание и апробация автоматизированного программно-аппаратного .радиотомографического комплекса для исследования среднеширотной и субавроралыюй ионосферы, оборудование трассы наблюдений Москиа-Архангельск и проведение на ней серий радиотомографических экспериментов.

В процессе разработки и создания комплекса и при проведении комплексных радиотомографических л<сиериментов получен ряд

новых научных н практических рсзультатоп:

1. Организованная на базе созданных автоматизированных программно-аппаратных комплексов раднотомографичсская пи-тома позволила впервые и данном регионе провести систематические исследования двумерных томографических разрезов электронной плотности ионосферы. Были получены разнообразные томографические сечения как спокойной ионосферы, так и возмущенной, в частности, высотно-шмротные разрезы перемещающихся ионосферных возмущений.

2. Разработан ряд программ томографической обработки данных, используемых па этапе реконструкции н включенных в комплексный пакет по спутниковой раднотомографни ионосферы:

- программы перебор- томографических решений, минимизирующие отклонение от экспериментальных данных;

- программы построения проекционных операторов с различными порядками аппроксимации (и том числе с использованием локальных производных реконструируемой функции);

- программы, реализующие генетические алгоритмы перебора томографических решений.

3. Написан пакет интерактивных программ но компьютерному моделированию различных томографических систем, в том числе для спутниковой радиотомографии ионосферы.

4. Созданы программы предварительной обработки исходных данных для процедуры томографической реконструкции.

5. Впервые создан комплекс программ ;и.л наглядного графического представления и анализа данных и конечных результат» в виде томо1 рафических реконструкции. Разработан и написан пакет программ для сравнения полученных методами спушиконон раднотомографни двумерных сечении ионосферной электронной плотности с существующими моделями ионосферы и с экспер)*метальными данными вертикального зондирования.

Практическая' ценность работы состоит в том, что организованные экспериментальные измерения на трассе Москва-Архангельск являются хорошим инструментом для исследования структуры срсднеишротпон и субаироральной ионосфер!»! и указанном регионе. Полученные в ходе экспериментов ссчеиия электронно!! плотности ионосферы до пыот 1000 км дают возможность анализа характерных физических процессов, происходящих м исследуемой области (например, образование внутренних гравитационных волн).

На основе созданных программно-аппаратных комплексов сбора и предварительной обработки спутниковой информации возможна установка аналогичных радиотомографнческих систем в других

с

-регионах. Разработаны программы построения проекционных томографических операторов и алгоритмы поиска оптимальных томографических решений, позволяющие уменьшить ошибку реконструкции при использовании итерационных алгебраических алгоритмов, которые огут быть успешп применены при решении целого ряда задач малоракурсной томографии. Разработаны и написаны несколько пакетом программ для разных этапов решения исследуемо]"! проблемы - от сбора первичных данных до детального анализа окончательных результатов. Созданный пакет программ моделирования томографических систем позволяет выбрать оптимальную схему эксперимента, учесть степень влияния шумов и искажений исходных данных и другие факторы, определяющие качество реконструкции, что даег возможность задать наиболее г уходящую конфигурацию расположения приемников в реальном эксперименте. Программы для обработки конечных результатов в виде двумерных сечении электронно!! плотности могут служить инструментом для их детального анализа, сравнения с другими экспериментальными данными и моделями ионосферы.

Проделанная работа но созданию и авто: атнзацпи конкретной раднотомографическов системы иа . трассе Москва-Архангельск является еще одним практическим шагом в решении задачи непрерывного глобального мониторинга ионосферы с использованием новых перспективных технологии.

Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии. В опубликованных в соавторстве работах автору принадлежит участие в постановке задач, их ре чении, математической обработке и анализе исходных данных и результатов. Автор непосредственно участвовал в организации томографической трассы Москва-Архангельск, оборудовании пунктов наблюдения и проведении всех экспериментов на трассе. Автоматизированный сбор и предварительная обработка данных производились только на основе оригинального программного обеспечения, разработанного и написанного автором. Другие упомянутые в работе программы, в частности, для моделирования задач томографии, графического представления и анализа результатов, также написаны автором. При создании программно-аппаратного . комплекса для спутниковой раднотомографин ионосферы частично было использовано оборудование, предоставленное Калининградским отделением ЛЗМИРАН в рамках совместной научной программы исследований, и серийные навигационные приемники промышленного изготовления. Томографические реконструкции по экспериментальным данным

выполнены совместно с к.ф.-м.н. Андреевой F.C. с помощью пакета гтоограмм по спутниковой радпотомогпафни ионосферы, » написании которого автор принимал непосредственное участие.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации докладывались на XXIV к XXV Генеральных Ассамблеях URSI (Kyoto, Japan, 1993 и Lille, France, 1996), Международных коллоквиумах COSPAR on Low-latitude Ionospheric Physics (Taipei, Taiwan, 1993), "Magnetosphcric Research with Advanced Techniques" (Beijing, China, 199G), Международном семинаре "Физика космит-кой плазмы" (Киев, Украина, 1993), па 1-м Евроазиатском симпозиуме по космическим наукам и технологиям (Анкара, Турция, 1993), Int. Beacon Satellite Symposium (Aberysw'th, UK, 1991), 30-ii и 31-й Международных научных ассамблеях COSPAR (Hamburg, Germany, 1994 и Birmingham, UK, 1996), Workshop on Low and Equatorial latitudes in the International Reference Ionosphere (New Delhi, India, 1995), Международном симпозиуме "Спутниковые исследования ионосферных и магпитосфсрных процессов" (Трс :цк, Россия, 1995), па Международном симпозиуме по ионосферным аффектам (Washington, USA, 1996), XVIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн (С.-Петербург, 199(0. Результаты работы обсуждались на научных семинарах II3MIIPAH г кафедры ф**знки атмосферы физического факультета МГУ.

По теме диссертации опубликовано 16 основных работ в отечественных и зарубежных изданиях.

Основные положении, выносимые на защиту.

1. Созданы автоматизированные программно-аппаратные комплексы, составляющие единую систему для исследования ионосферы радиотомографическими методами с использованием стандартных навигационных приемников и систем регистрации данных на основе персональных и микрокомпьютеров.

2. На основе созданных программно-аппаратных комплексов организован;! радиотомографическая трасса Москва-Архангельск н проведены серии экспериментов для исследоваши ионосферы в указанном регионе.

3 В ходе экспериментов впервые в данном регионе получены и проанализированы двумерные томографические реконструкции распределения алектропной концентрации, содержащие информацию о характерных физических ионосферных процессах в исследуемой области. Были получеьы разнообразные регулярные и квазирегулярные сечения ионосферы, сечения с возмущениями, в частности, впервые в данном регионе получена томографическими методами высотно-широтная структура перемещающихся

ь

¡юпосферных возмущений. Проведенный анализ показал, что они являются типичными среднемасштабиыми волновыми возмущениями, связанными с распространением и термосфере ннутреиг тх гравитационных волн.

4. Создано ирг раммное обеспсепие для персональных компьютеров, в полной мере реализующее функции автономного управления комплексом сбора данных спутникового радиозондирования ионосферы и предварительной обработки данных для проведения томографических реконструкции распределения электронной плотности ионосферы.

5. Впервые создан специализированный комплекс программ для наглядного графического представления и анализа раднотомографнческих данных. Разработан и написан пакет г.ггерактивных программ по компьютерному моделированию ' различных томографических систем, включая системы радпотомографин ионосферы.

6. Создан ряд программ томографической обработки данных, реализующих построение проекционных томографических операторов высших порядков и перебор ("ключая генетические алгоритмы) томографических решений. Показано, что применение новых методов построения проекционных операторов позволяет улучшить качество томографических реконструкций. Данные программы включены, в комплексный пакет программ но спутниковой радпотомографин ионосферы.

7. Проведено сравнение полученных экспериментальных результатов с данными модели Ш1 и проанализированы критерии сценки качества томографических реконструкций как по модельным данным, так и но результатам прямых ионосферных измерений.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она содержит 109 страниц машинописно! о текста, включая 29 рисунков н 3 таблицы, список цитируемой литературы из 112 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность изучаемых проблем, формулируются цели исследования, отмечена научная новизна и практическая, ценность работы, приведены защищаемые положения и излагается структура диссертации.

Первая глава диссертации, состоящая из трех разделов, посвящена обзору и перспективам развития томографических методов. В первом разделе рассматривается история реконструктивной вычислительной томографии. Широкое

практическое использование томография впервые нашла в задачах рентгенодиагностики лишь в 70-х годах, когда техника дистанционного зондировании и системы обработки данных достигли Выс< .coro уровня. За прошедшие годы от первого медицинского томографа сделан большой шаг вперед, и в настоящее время компьютерная томография активно внедряется в самые разные области науки, Перечислены основные направления развития нового метода дистанционного зондирования в последние два десятилетия и указаны основные обзоры. Современная тс юграфни стала вссгюлповои, и ней ппюл! "'уетсл практически весь интервал частот электромагнитного спектра.

Второй и третий разделы посвящены обзору литературы о текущем состоянии не л и перспективах дальнейшего развития спутниковой радкогомографии ионосферы. Приведена классификация задач этого научного направления. Они делится на две большие группы: статистические задачи и детерминированные. Последние в свою очередь разделяются на проблемы дифракционной и лучевой томографии. Именно задачи последней гру им подробно рассматривайте;! в диссертационно!'! работе. Кратко описана история развития мегоди.: раднотомограф.ш ионосферы. Первые радио'юмографическае сечении ионосферы были получены сотрудниками МГУ и Полярного геофизического ипституа в IWO го чу методом фазоразпостион раднотомографнн. Далее приведены обзоры основных экспериментов, проведенных п последние годы в России и за рубежом, в ходе которых томографическими методами было получено большое разнообразие реконструкций в виде двумерных сечений электронной концентрации ионосферы. Перечислены возможные варианты практического применении радпотомографических систем ионосферного мониторинга. Среди них особенно выделякися поиск и регистрация предвестников природных катастроф (цунами, извержения вулканов, землетрясения), а в дальнейшем и возможность их прогноза, основанная на существовании тесной связи литосферных н ионосферных процессов. Приведены основные ¡../юты в этом направлении и проанализирована эффективность использования радшп-омографнчсскнх систем диагностики ионосферы для регистрации сеисмонопосферных предвестников. В заключение глав!.! обсуждается одно из перспективных .управлении развития радиотомографии ионосферы и околоземного космического пространства: использование зондирующих сигналов спутников современных навигационных систем GPS/I7IOHACC. Указаны основные проблемы нового направления и Намечены подходы к их решению.

Вторая глава посвящена методам и алгоритмам решения задач лучевой томографии, которые используются для реконструкции экспериментальных сечений электронной концентрации ионосферы, приведенных и проанализированных в четвертой главе. Здесь сформулирована обща>. постановка задач! лучевой раднотомографни глобальных (десятки, сотни и тысячи километров) структур в отсутствие дифракционных эффектов: реконструировать заданную область ионосферы по измерениям линейных интегралов для серии нересекагщих ее по разным направлениям лучей. Классическая схема раднотомографичеекпх измерений с использованием зондирующих сигналов спутника, регистрируемых несколькими приемниками, расположенными иа поверхности Земли в плоскости его пролета, показана на рисунке 1. Решение задачи реконструкции ооычио проводится в координатах (11,т), где Ь - высота над поверучостыо Земли, а т - координата, отсчитываемая вдоль поверхности Земли. Линейные интегралы но лучу спутник-приемник ¡¥6а от реконструируемой функции Р(Ь,т) в высокочастотном приближении (т.е. когда частота зондирующего излучения много выше критической частоты ионосферы) пропорциональны либо приведенной фазе ф, если восстанавливается распределение

электронной концентрации N. либо логарифму отношения амплитуд измеряемого поля и ноля зондирующей волны, если Р=Му, где V -эффективная . частота соударений электронов. Приведены и проанализированы некоторые методы решения поставленной задачи радиотомографии ионосферы, указана необходимость использования прямых итерационных алгебраических алгоритмов реконструкции и

Рис.1. Схема томографического зондирования ионосферы

дано краткое описание наиболее важных из них в свете специфических особенностей рассматриваемой проблемы.

Далее представлены новые меюды построения проекционных тгмгграфпчеекпх операторов А, переводящих исследуемое распределение физической величины К в семейство линейных интегралов I: ЛР=1. Методы основаны па использовании высоких порядков аппроксимации реконструируемой функции. В общем случае функцию Р(Ь,т) можно выразить следующей формулой:

РСМ)- Ткпит"11п ,

Г:П

П1.П-0

где кшп - коэффициенты полиномов. С повышением порядка аппроксимации М конструируемый оператор становится все ближе к "истинному" оператору, следствием чего является повышение точности решения задачи томографической реконструкции. Последнее утверждение подкреплено приведенными в третьем разделе результатами численного .моделирования, наглядно демонстрирующими улучшение качества рскоистпукцни при использовании данных методов построения проекционных операторов. В качестве примера в табл! ie 1 приведены характерные относительные ошибки (максимальная 5(С) и среднеквадратичная 5(L2)) решения прямой задачи реконструкции финитной модельной функции средней сложности с использованием различных типов проекционных операторов. Модельная функция и ее реконструкции F, выполненные с использованием операторов А,С и 13 соответственно, приведены на рисунке 2.

Таблица 1. Ошибки прямой задачи l|i - AFP. F ~ реконструкция

Отp<:rnrjp (.чс/нгл) чпгцюкенчаиип ¡я-консгнрукруемой iIiyiiKiifiiiJ S(L")

А - кусочно-постоянная (традиционный оператор) 0.371 0.258

В - кусочно-нлапарная аппроксимация 0.124 0.053

С - произведение линейных аппроксимаций (M-i) 0.0(52 0.035

D - произведение кубических сплайнов (М~3)_0.034 0.025

В следующем разделе проанализированы па основе численного моделирования алгоритмы поиска оптимальных томографических решении, опирающиеся на генетический и вариационный методы и минимизирующие отклонение от экспериментальных данных.

Наконец, • последнем разделе данной главы описаны созданные пакеты интерактивных программ по моделированию различных томографических систем, в том числе для спутниковой радиотомографии ионосферы. Программы в полной мерс реализуют методы и алгоритмы решения задач томографии, описанные п предыдущих разделах, и могут быть использованы как для анализа

¡'кс.2. Ошшгкад моделей,V. фумщил н се «'аз.-.цм

метод;;:.! с кспаи-зсз.-ише:.: раглнч:и:х типои про<ч:1.ч:с[а:!::: (.перпто;.";:: (Л,С,О). Ачгорнт.»,; ЛПТ, и11.-;у::!.мй.

геометрии конкретных томографических систем ¡; результат экспериментальных измерений, так и дл;: учебных целой и качество основы имнтациопиой задачи-сиецпрактикума.

В третье!! главе описывается радиотомографическая система дистанционного зондирования ионосферы на основе создании:: автоматизированных программно-аппаратных комплексов,

осуществляющих прием спутниковых сигналов, сбор и предварительную обработку данных радиотомографнчеекпх экспериментов, позволивших реконструировать распределения электронной плотности ионосферы по линии Москва-Архангельск на высотах до 1000 км. Описана методика измерении с использованием когерентных сигналов пизкоорбитных навигационных спутников

отечсгк'сгаю;: омса-лпл "Цикада" ("Парус"} ;; амч.рш:аис:;-м NNJ3. Они имеют периоды еСращени:: менее дауд часол и, тайн:; образам, за сравни¡олыю асроткаи отрезок времени пахо;кд:;"ня в ::а;;е уверенного прием:; (-15-17 сигналами спутника сканируется

достаточнг '.>:"; участок ионосферы, что позволяет ироце'тн

наблюден!: ; rapaawtft с::п[;!л:', змзплпкы:: tronccq^jp цеодиорадиаат;::::! различных раа::ераа. Далее указан: ! ccoiîeuiïccTir радиото:>и/грг.ф.:!:-:г::оЛ трасс: • irsl-niyicrmf; и координаты крисших пушето::, î.o;>-.;:;o укла,"' : :зго:!;и::сн » плоскость продст.ч мнаиоарб.па,:,::: с: уте.:;;;:.: (.1счсси:;;:п.;П напкганкоинон ci:c!c:tt.i "Парус", иис^щиг: наклонен««» орбмм -S3 градуса и летящих с пгг; на а ..ср. (рис.3).

Irp!inr.v:c;ia структурная с.*:;::::: к описание комплекса npil,e.,£;>. зондирует;:; cm налоп снутиикси па базе стандартно:! аппаратуры пассивной спулшкслй иаши-ацпн, подробно рясскотрсш реализованные гарнакги диух типе:: iua[>poi;oi. репгстраппг (мобильный il стацисиариии) с ttcrxcvst^.i^uutCM отсчсстиеш«.?/: мнкраком.нлатераа персоналы:; :\: кекшызгерел. на бале ГПН PC. Г. последис: варнлал; ар::«;:::.:.: пункта; не гут дл:г:сл:аа"; rÉ.i. а:г.оио:и.о раблтчт;» по задмшчй гр.огра::::е без участил опсра.тсра. Управление сссм гр«щсссом rfr.pa данных ссупкстили-яся г. помощь::» нерсоппльнг.го i:o:f:;[iiarc[ а, запись ииформашгн на жесткий диск ведется г. исиреры::ном ре:::име а предварптслыг: гм анализом и упако'Л'ок негодна::: /a'anaix.

Рис.3. Размещение приемных пунктом на трассе Москпа-Архангельск

В пятом развело дайной главы последовательно перечислены и охарактеризованы основные задачи предварительной обработки данных спутниковых измерений:

- распаковка первичных данных и приведение их к единому формату ц ьидс последовательных цифровых рядов пары квадратурных компонент;

- анализ качества данных и степени их пригодности для дальнейшей обработки;

- коррекция н реконструкция ..грезков временных рядов квадратурных сигналов, искаженных или потерянных при кратковременных (менее 8-10 секунд) сбоях в приеме сигнала, цифровая фильтрация сигнала для удаления пысокоча* готных составляющих (помех);

- восстановление приведенной фазы по квадратурным компонентам, прореживание и сглаживание данных с применением цифровой фильтрации для устранения высокочастотных "фреиелевских" осцилляции фазы;

- расчет доплеривского ионосферного сдвига частоты путем дифференцировании реконструированной приведенной фазы.

Далее в разделе кратко описано созданное программное обеспечение, позволяющее решать перечисленные задачи как в диалоговом, так и в пакетном режиме. В частности, на рисунке 4 показан пример записи исходного квадратурного сигнала для станции Москва (МБК), а также приведенная фаза и кривая ионосферного доилеровского сдвига частоты, полученные с помощью

Рис.4. Обработка первичных данных программен КТО\'.

программы RTDV (Radiotomographic Data Viewer). В результате работы программы формируются наборы данных, являющиеся исходными для алгоритма томографической реконструкции.

И d последнем разделе третьей главы кратко описано созданное дополните 'ыюе программное обеспечение, не упомянутое в предыдущих главах и входящее d комплексный пакет по радиотомографии ионосферы. Это программы, реализующие функции работы с базой данных первичных изме[ эний (насчитывающей в настоящее время около полутора тысяч регистрацию, утилиты для графического представления и детального анализа результатов реконструкций, демонстрационные и другие программные пакеты.

В четвертой главе продемонстрированы некоторые результаты томографических экспериментов по радиозондированию ионосферы на трассе Москв. .-Архангельск, полученные с помощью созданных программно-аппаратных комплексов приема л обработки спутниковой информации, установленных на трассе в трех приемных пунктах. Большинство реконструированных с^ «иий электронной концентрации представляют картины типичной невозмушеш.ой ионосферы и характерны для широт экспериментальной трассы и геофизических условий проведения серий регистрации. Чаще всего наблюдались незначительные широтные вариации концентрации, а также плавное увеличение или уменьшение (рнс.5) с широтой уровня электронной концентрации, при этом перепад уровней на длине трассы составлял не более 10% от максимального значения.

Однако довольно часто днем в зимних условиях в полосе широт томографической трассы проведенные эксперименты выявляли квазннериодическне пространственные неоднородности электронной

ЛГ r»con»(nie(ion Лг,*/0# em"* Sejitrmbcr £ 1, 1ЭЭ5 t6:40 'LT

Рнс.5. Пример томографической реконструкции регулярной структуры ионосферы на трассе Москва-Архангельск 21 ¿ентября 1995г., 16:40LT.

концентрации с горизонтальными размерами порядка 300 км. Реконструированные картины таких волновых явлений также приведены и проанализированы в данной главе. Они типичны для средпемасштабных пространственных ионосферных возмущений (ПШЗ), вызванных распространением в тсрмосфсре внутренних гравитационных волн с соотн-тствующими горизонтальными масштабами и периодом 15-20 минут. На рисунке С показан пример реконструкции ПИВ для одного из томографических сеансов 17 декабря 1993 год.'! в изолиниях из) и в виде поверхности электронной концентрации (Ь) и единицах 105эл/см3.

а)

ЛГ -.-«•«•»»»<rnofU.iv от"*

ВгатЛиг 17-, /ИЗЗ !3:-(0 АТ

Рнс.С. Томографическая реконструкция пс)х:м<лцаюии1хся ионосферных возмущений на трассе Мос1;ва-Лрхдш\\1ьск 17 декабря 1003г.: (а) - в изолиниях, (Ь) - в виде фрагмента поверхности электронной концентрации.

В третьем разделе рассмотрены и проанализированы различные критерии оценки качества томографических реконструкций сечений электронной концентрации ионосферы, описано созданное программное обеспечение, позволяющее проводить сравнение экспериментальных данных о структуре ионосферы,, полученных различными методами. Показана возможность использования этих . данных в качестве априорной информации в алгоритме томографической реконструкции, что позволяет улучшить ка> хтзо восстановления.

Последний раздел данной главы посвящен сравнению полученных методами радиотомографии двумерных сечений электронной плотности и первичных экспериментальных записей ТЕС с аналогичными данными, полученными па основе модели IRL Сравнение производится с помощью специально разработанной и написанной программы IRITEC, которая предусматривает также подготовку модельных данных для процедуры томографической реконструкции, а которой они могут быть использованы в качестве начального приближения.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты выполненной диссертационной работы.

1. Созданы автоматизированные программно-аппаратные комплексы, составляющие единую систему для исследования ионосферы раднотомографическим методом, с использованием стандартных навигационных приемников и регистрации данных па базе персональных н микрокомпьютеров. На основе созданных комплексов организована радиотомографнческая трасса Москва-Лрхапгельск, и в течение нескольких лет проведены серии экспериментов но исследованию средпевпфотнон и субавроральной ионосферы в регионе трассы.

2. В ходе экспериментов впервые в данном регионе получаш и проанализированы двумерные томографические реконструкции

, распределения электронной концентрации, содержащие информацию о характерных физических ионосферных процессах в tгсс.тедусхо"з области. Были получены разнообразные рсгулгртсс п квазнрегулярные сечения ионосферы, сечения с воштвдапиаза, з частности, впервые в данном регионе, получена тсгаоггртфнтасзЕгжсл методами высотно-вшрогиая структура тфюоетззящдавв ионосферных возмущений. Проведенный алдшаз налюзаш, чпяэ спев являются типичными среддаезогашпйГшшоа игшизэпггаш возмущениями, связанными с ¡рш^ирворшпшшем т таг^таипфнряг внутренних Г'ктнтацаонаых тли. 1Гроведен0> «rjarnrnsiac тладчшшык экспериментальных резуттипкв и» внщр дапнмос пвяшгея

электронном содержании и и пиле ;пумсрных томографических сечений электронной концентрации с данными модели 1Н1 и проанализированы критерии оценки качества томографических реконструкции как но модельным данным, так и но результатам различных экспериментальных измерений.

3. Разработано и написано программное обеспечение для персональных компьютеров, в полной мере реализующее функции автономного управления раднотомографнческои системой, включая регистрацию данных спутникового радиозондирования ионосферы, автоматизированный сбор, архивацию, храпение, предварительную обработку и подготовку дайны < для проведения томографических реконструкций распределении электронной плотности ионосферы.

А. Создан ряд программ томографической обработки данных, реализующих построение проекционных томографических операторов высших порядков и перебор (включая генетические алгоритмы) томографических решений. Показано, что применение новых методой построения проекционных операторов позволяет улучшить качество томографических реконструкций. Данные программы включены в комплексный пакет программ по спутниковой радиогомографии ионосферы.

5. Впервые создан специализированный комплекс программ для наглядного графического представления а анализа раднитомографпческих данных. Разработан и написан пакет интерактивных программ по компьютерному моделированию различных томографических систем, включая системы раднотомограф'ш ионосферы.

Перечень работ, в которых опубликованы основные научные результаты по теме диссертации.

1. Razinkov O.G., Kimitsyn V.E. The Construction of Projection Operators in the Ray Small-foreshortening Tomography Problems. XXlVth General URSI Assembly. Kyoto, Japan, 1993* Abstracts. P.88.

2. Oraevsky V.N., Kunitsyn V.E., Ruzhin Yn.Y'a., Depueva A.Kh., Razinkov O.G. Tomographic Diagnostics of the Ionosphere Spatial Structure as an Indicator of Earthquake. XXIVtii General URSI Assembly. Kyoto, Japan, 1993. Abstracts. P.614

3. Oraevsky V.N'., Ruzhin Yu.Ya., Kunitsyn V.E., Razinkov O.G., Andrecva E.S., Depueva A.Kh., Kozlov E.F., Shagiaiuratov I.I. Riidiotomographic sections of subauroral ionosphere along Moscow-

Arkhangelsk trace. Preprint IZMIRAN. N100(1047), Moscow, 1993, p.1-13.

4. Ружнн Ю.Я., Куницын B.E., Рази икон О.Г., Шагимуратов И.И. Томографические сечения ионосферы в области главного ионосферного провала. // Сб. трудов Мсжд. семинара "Физика космической плазмы", Киев, Украина, 1993. С. 133-137.

5. Kunitsyn V.E., Tercshchcnko E.D., Andreeva E.S., Popov A.Yu., Razinkov O.G. Methods and Algorithms of Ray Radiotomographv. // Proceedings of the International Beacon Satellite Symposium, Aberystwyth UK, 1994, P.60-63.

(5. Kunitsyn V.E., Andrecva E.S., Razinkov O.G., Tercshchcnko E.D. Phase and Phase-Difference Ionospheric Radio Tomography. // Int. Journal of Imaging Systems and Technology. Vol.5, 1994. P. 128-140.

7. Kunitsyn V.E., Andrecva E.S., Popov A.Yu., Razinkov O.G. Methods and algorithms of ray radiotomography for ionospheric research. //Aim.Geophysicae V.13. 1995. P. 1263-1274.

8. Ораевский B.H., Куницын B.E., Ружнн Ю.Я., Андреева Е.С., Депуева А.Х., Козлов Е.Ф., Разинков О.Г., Ш-тимуратов И.И. Радиотомографические сечения субавроральной ионосферы вдот трассы Москва-Архангельск. // Геомагнетизм и аэрономия. 1995. Т.35, N1. С.117-122.

9. Ruzhin Yu.Ya., Razinkov O.G., Dcpueva A.Kh., Shagimuratov I.I. Verification of IRI model by the TEC measurements for the

quasimcridional ionosphere sections. Workshop on "Low and equatorial latitudes in the International Reference Ionosphere (IRI). New Delhi, India, 1995. Abstracts. P.81.

10. Oraevsky V.N., Kunitsyn V.E., Ruzhin Yu.Ya., Razinkov O.G., ■ Shagimuratov I.I. Ionospheric structures of anthropogeneous origin by radio-tomographic diagnostic. // Adv. Space Res. 1995. V.15. N11. P.(11)145-(11)148.

11. Kunitsyn V.E., Andrecva E.S., Nesterov I.A., Razinkov O.G. Possibilities, perspectives and limitations of ionospheric studies by tomographic methods. // Proc. of Ionospheric Effects Symposium. Washington, USA, 1996. P.1A-4-1 - 1A-4-8. •

12. Ruzhin Yu.Ya., Shagimuratov LI., Kunitsyn V.E., Dcpueva A.Kh., Razinkov O.G. Ionosphere GPS tomography by means of low orbit satellites. Abstracts of 31st Scientific Assembly of COSPAR. Birmingham, UK, 199G. P.42.

13. Kunitsyn V.E., Andrecva E.S., Razinkov O.G. GPS/GLOXASS and other multisatellite systems for Atnsaspfrerc-Iocaspkenc-Magnetosphere studies. XXVth Genend lEKSI АшипМу. Hülfe; France, 1P9G. Abstracts. P365.

14. Andrccva E.S., Kunir-yn V.E., Popo. A.Yu., Razinkov O.G. Comparison of methods and algorithms of Radio Tomography of the Ionosphere. XXVth General URSI Assembly. Lille, France, 1996. Abstracts. P.-101.

15. Ружнн Ю.Я., Куннцып В.E., Разипков О.Г., Андреева Е.С., Деиуева А.Х., Шагимуратов И.И., Ефишов М.II. Томография эффектов нодновых возмущений на трассе Архангельск-Москва. XVIII Всероссийская конференция по распространению

. радиоволн. С.-Петербург, 1996. Тезисы докладов. С.1S9-190.

16. Андреева Е.С., Куннцып В.]'., Разннков О.Г. Возможности радиозондировании ближнего космоса томографическими методами. XVIII Всероссийская конференция по распространению радиоволн. С.-Петербург, 1996. Тезисы докладов. С.326-327.