Спутниковая радиотомография

Содержание

Введение

1. Возможности и ограничения применения спутниковой радиотомографии

2. Радиотомография исследования ионосферы в различных широтных областях

3. Научная программа эксперимента "Маяк"

3.1 Научные задачи

3.2 Состав бортовой аппаратуры

4. Мониторинг ионосферы в интересах коротковолновой связи

5. Первые в мире

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Исследования по лучевой радиотомографии (РТ) ионосферы и ее приложениям вызывают заметный интерес в мире. С начала девяностых годов были проведены серии успешных экспериментов по реконструкции структуры ионосферной плазмы с помощью томографических методов в различных регионах Европы, Америки, Юго -Восточной Азии , Австралии. С тех пор лучевая РТ стала одним из основных инструментов исследования распределений электронной плотности в ионосфере. В докладе представлены и обсуждаются результаты исследований структуры и динамики ионосферы методом лучевой РТ по данным экспериментов 1990–2005 гг., выполненных сотрудниками МГУ, ПГИ РАН и совместно с зарубежными коллегами. Метод лучевой РТ ионосферы основан на регистрации и анализе радиосигналов двух когерентных частот 150 и 400 МГц низкоорбитальных (НО ) навигационных российских спутников типа "Цикада" или американских "Транзит " в нескольких приемных точках, расположенных вдоль траектории восходящих или нисходящих витков орбит спутника и на расстояниях порядка сотен километров. Данные навигационные спутники летают на высотах 1000 – 1150 км, имеют близкие полярным орбиты и период обращения около 105 мин. Высокая скорость движения спутника (~7.9 км /с) и соответственно быстрое, по сравнению с характерными масштабами временных изменений исследуемых ионосферных процессов, пересечение спутником просвечиваемой области позволяют реконструировать двумерные сечения электронной концентрации в плоскости пролета спутника, характерная длительность РТ регистрации составляет 10–15 мин. Важными достоинствами метода лучевой РТ ионосферы является сравнительная простота его реализации и при наличии достаточного количества приемных точек, высокое пространственно-временное разрешение .

1. Возможности и ограничения применения спутниковой радиотомографии

К одним из достоинств метода фазоразностной РТ следует отнести возможность простой интерполяции экспериментальной доплеровской частоты при разрывах в регистрации в отличие от фазовых методов. В общем случае в задачах лучевой РТ ионосферы путь интегрирования L определяется траекторией луча и зависит от искомого распределения N. Проведенные оценки и компьютерное моделирование показали, что рефракционные эффекты определяются вариациями N и малосущественны до значений максимальной концентрации ~(1.5 ÷2.5)10 12 м –3 . В случае учета рефракции решение нелинейной томографической задачи можно реализовать в виде решения последовательности линейных задач, что сводится к итерационной процедуре, где для расчета каждого после дующего приближения электронной концентрации используется траектория, полученная из приближения электронной концентрации на предыдущем шаге. Рефракция приводит к отклонению луча от прямого и ограничивает размер дискрета и разрешение задачи лучевой РТ в линейной постановке до 30–40 км по горизонтали и до 20–30 км по вертикали. Другим ограничением является эффект дифракции радиоволн, также ограничивающий снизу раз мер дискрета около 10 км (радиус Френеля в данном случае составляет около 1 км ). Таким образом, пространственное разрешение метода лучевой РТ ионосферы можно улучшить до 10–20 км, если учитывать рефракцию зондирующих лучей. Принципиальным ограничением для всех вариантов РТ является неединственность задачи. В линейных задачах неединственость проявляется в существовании фантомов – отличных от нуля знакопеременных распределений, интегралы от которых по всем лучам равны нулю. Будучи добавленными к реконструированной искомой функции, фантомы искажают ее, но при этом оставляют без изменений сами значения всех интегралов по всем проекциям.

Примеры таких "невидимых " фантомов рассмотрены, причем размер деталей структуры финитного фантома уменьшается с ростом числа проекций и может стать сопоставимым с разрешением системы. Поэтому при большом числе приемников (более 5–7) фантомы представляют собой достаточно экзотичные знакопеременные образования с мелкой структурой и специфической симметрией, которая определяется приемной системой. В природе существование подобных структур маловероятно.

2. Радиотомография исследования ионосферы в различных широтных областях

Впервые в мире экспериментальные РТ - реконструкции главного ионосферного провала были получены в марте – апреле 1990 г. сотрудниками МГУ и ПГИ РАН. Они представлены в изолиниях в единицах 10 12 м. Проведенные многочисленные эксперименты показали сложность и разнообразие форм провала, причем его ширина, наклон и глубина варьируются в широких пределах.

В докладе рассмотрены ионосферные проявления нескольких крупнейших бурь периода 1990–2004 гг. Структура ионосферы в периоды возмущений была исследована методами РТ в авроральной, субавроральной и среднеширотной ионосфере над северо-западом России , северо-востоком США , востоком Канады , Аляской и Европой. Выявлен ряд особенностей структуры распределения электронной плотности в возмущенной ионосфере, не характерных для спокойных периодов. В частности, во время сильных возмущений в реконструкциях наблюдались многоэкстремальные структуры с "пятнами " ионизации, а также резкие градиенты в виде "стенок " электронной концентрации; выявлены тонкие (поперечная протяженность порядка нескольких километров) структуры повышенной электронной плотности, вытянутые вдоль магнитных силовых линий и имеющие протяженность по высоте около сотен километров. Обнаружена сложная структура ионосферного провала со смещением полярной стенки к экватору и ее наклоном, неоднократно наблюдались расслоения провала. В докладе проанализированы реконструкции с волновыми эффектами высыпаний низкоэнергетичных частиц.

В качестве примера было представлено РТ-сечение ионосферы по трассе Москва – Баренцбург (Шпицберген ) в период геомагнитной бури 29–31 октября 2003 г ., которая относится к классу исключительно мощных . За два дня 29–30 октября было зафиксировано три трехчасовых интервала с максимально возможным Kp = 9 (это случилось впервые в истории Kp-индексов). Как видно из реконструкции, ночью наблюдается сложная многоэкстремальная структура с "пятном " повышенной электронной концентрации на уровне широты около 70º (максимальное значение порядка 1.5·10 12 м –3 , что совершенно не типично для субавроральных широт). Сложное сечение ионосферы с достаточно узкой практически вертикальной структурой в районе 60º наблюдалось 27 июля в 05:46 UT 2004 г . (Kp = 8.7) в районе Аляски.

В докладе представлены результаты РТ-исследований структуры и динамики низкоширотной ионосферы , которые были получены в ходе совместных работ университетов МГУ, Иллинойса , Тайваня и Уханя . В области приэкваториальных широт (приемная трасса Шанхай –Манила ) был выявлен ряд новых структурных особенностей экваториальной аномалии (ЭА):

-сформировавшееся ядро ЭА ориентировано вдоль направления магнитного поля Земли;

-существует значительная асимметрия между экваториальным и полярным краями ЭА;

-обнаружены характерные чередующиеся области "расширение–сужение " толщины ионосферы в широтном диапазоне 15–31 °;

-в области ядра ЭА происходит "продавливание" и "опускание" нижнего края ионосферного слоя, т.е. проникновение потока плазмы из F-области в нижние слои в районе широт ~25–28º; в области за ядром ЭА (~28–31º) образуется "перетяжка ".

Наблюдаемые структурные особенности могут быть интерпретированы на основе анализа потоков и скоростей плазмы в районе ЭА, обусловленных "фонтан-эффектом". Существующая восточно-западная компонента электрического поля и квазигоризонтальное магнитное поле в районе магнитного экватора приводят к вертикальному дрейфу плазмы с вертикальной и северной составляющими скорости. В северном направлении происходит увеличение потока плазмы, который приобретает все большую составляющую вдоль силовых линий магнитного поля. Вследствие "загибания" к Земле силовых линий магнитного поля происходит и "поворот" вниз потока плазмы вдоль силовых линий. Здесь, в области, где поток ориентирован почти вдоль линий, происходит увеличение плотности плазмы и образование ядра ЭА. Один из примеров РТ -реконструкции ЭА представлен в докладе. на котором хорошо видно ядро ЭА, ориентированное вдоль направления магнитного поля Земли (штрихами отмечены магнитные силовые линии ). Асимметрия ядра ЭА обусловлена тем, что если у север ной границы ядра поток плазмы направлен вдоль силовых линий , то у южной поток имеет поперечную магнитному полю направленную вверх компоненту , что приводит к "размазыванию " южной части ядра . Наличие направленной вверх компоненты потока с южной стороны ядра обусловливает образование хвоста , в котором плазма втекает с юга и снизу в ядро ЭА . Вертикальная компонента потока плазмы в приэкваториальной области приводит к расширению ионосферы к северу. Последующее "загибание " к Земле силовых линий магнитого поля приводит к "повороту" вниз потока плазмы, вдоль силовых линий и к сужению ионосферы. В области ядра ЭА происходит "продавливание" и "опускание " нижнего края ионосферного слоя под воздействием потока плазмы вдоль силовой линии.

Это хорошо видно на РТ -реконструкциях в области Е (h от 90 до 150 км ) на широтах 24–28 °. В области продавливания и опускания нижнего края ионосферного слоя происходит , по -видимому , торможение плазмы и последующий дрейф "в скрещенных полях " со сменой направления дрейфа. Иными словами , происходит "поворот " потока плазмы почти на 90º, т . е . движение преимущественно вдоль магнитного поля сменяется после торможения движением поперек магнитного поля . Такая структура потока и приводит к образованию области типа "перетяжки ", наблюдаемой после ядра ЭА в районе широт 28–31º. В докладе представлены примеры типичного временного поведения ЭА (рост концентрации ЭА в районе полудня , смещение ЭА к северу и убывание плотности к вечерним часам ) и необычного поведения ЭА (например, концентрация иногда оставалась почти постоянной в течение 5–7 ч, убывала с полудня или возрастала в вечерние часы – "послезакатный" эффект и т . д .).

Метод лучевой РТ позволяет не только получать двумерные сечения концентрации плазмы, но и определять потоки плазмы рассматривая последовательные во времени РТ-сечения.

Проведены РТ-исследования сильных возмущений ионосферы, вызванных антропогенными факторами, – в частности, возмущений, вызванных стартами ракет. промышленными взрывами, мощным КВ -излучением .

В ходе ряда экспериментов были проведены сопоставления РТ -результатов с данными радаров некогерентного рассеяния . Один из первых таких экспериментов был проведен осенью 1993 г . – Российско -Американский томографический эксперимент (RATE’93) по сопоставлению результатов РТ -реконструкций с данными радара некогерентного рассеяния в Миллстоун Хилл (США ).

Результаты RATE’93 показали высокое качество РТ -реконструкций и совпадение результатов томографических и радарных сечений в рамках точностей обоих методов.

3. Научная программа эксперимента "Маяк"

Для мониторинга состояния ионосферы на конкретных протяженных трассах пересекающих сейсмоактивные регионы предполагается использовать метод спутниковой радиотомографии ионосферы. Для этого на борту спутника устанавливается радиопередатчик МАЯК для излучения двух когерентных частот в УКВ и СВЧ диапазонах. С 1957 г. когерентные передатчики "МАЯК" в различной модификации широко используются в отечественных и зарубежных спутниковых экспериментах (на низкоорбитальных КА, на геостационарных спутниках и на межпланетных космических аппаратах) Метод радиопросвечивания основан на том, что при распространении радиоволн в столкновительной анизотропной частично-ионизированной неоднородной плазме, каковой является ионосфера Земли, происходит взаимодействие радиоволн со средой распространения вследствие известных эффектов - рефракции, дисперсии, поглощения, рассеяния на флуктуациях электронной концентрации и др. Поэтому принимаемые на Земле радиоволны содержат в себе информацию о параметрах подспутниковой области, в т.ч. о ее регулярной, волновой и стохастической структуре.

Сечение приэкваториальной области ионосферы (север – слева), полученное на основе радиотомографической обработки данных радиомаяковых измерений на сети приемных пунктов (6 приемников) на частотах 150/400 МГц.

В итоге, высокоточные измерения пространственно-временного распределения (регулярной, волновой и стохастической) структуры электронной концентрации над регионами природных и техногенных аномалий и катастроф по данным трансионосферного спутникового зондирования (значения амплитуд и разности фаз радиосигналов когерентных частот, зарегистрированные в одном или нескольких наземных пунктах для конкретных пролетов ИСЗ) позволят проводить:

- выявление аномальных явлений и характерных признаков изменений в ионосфере, связанных с естественными и искусственными возмущениями ионосферы (вулканическая, сейсмическая, циклоническая и грозовая активность);

- глобальный мониторинг ионосферы для исследования структуры и динамики ионосферы с целью изучения физических процессов в ионосферной плазме и уточнения существующих моделей;

- апробацию радиотомографического метода обработки данных, который дает реконструкцию объемной структуры ионосферы над заданным регионом

Сочетание методов радиотомографии и затменного GPS позволит существенно повысить разрешение регистрируемых плазменных структур в ионосфере, как по высоте, так и вдоль земной поверхности (орбиты спутника).

3.1 Научные задачи

Передатчик 2-х частотный "Маяк" предназначен для радиотомографических измерений пространственно-временного распределения регулярной, волновой и стохастической структуры электронной концентрации над сейсмоактивными регионами по данным трансионосферного спутникового зондирования.

3.2 Состав бортовой аппаратуры

Передатчик 2-х частотный "Маяк" ( шифр ОКР- "RBE150/400МГц") состоит из передатчика и двух антенн, кабеля питания и кабеля интерфейса.

Передатчик обеспечивает формирование когерентного непрерывного сигнала на двух частотах: 400±1 МГц и 150±1 МГц

Антенны обеспечивают излучение радиомаяковых сигналов в надир.

Управление аппаратурой "Маяк" и прием телеметрической информации выполняется через синхронный, последовательный интерфейс со следующими параметрами:

Страницы: 1, 2