takya.ru страница 1
скачать файл
Лекция «Принципы ГНСС-зондирования ионосферы»
1. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли

Все слышали о системе GPS. Это спутниковая радионавигационная система. Она создана для того, чтобы, приняв радиосигналы от навигационных спутников, можно было определить свои точные координаты. Однако, как это часто бывает с крупными техническими проектами, возможности системы оказались гораздо шире прикладной задачи определения координат, для которой она создавалась. Сейчас GPS широко используется в геофизике. С помощью GPS наблюдают за движением континентов, следят за деформацией различных объектов (например, железных дорог), изучают процессы, протекающие в атмосфере Земли. В нашем институте (ИСЗФ СО РАН) исследования атмосферы с помощью системы GPS ведутся уже более 10 лет. Возможностям системы GPS и ее применению для изучения атмосферы посвящена настоящая лекция.


2. Спутниковые Радионавигационные Системы (1-го и 2-го поколения)

GPS (Global Positioning System) – навигационная система второго поколения.

СРНС первого поколения были созданы в середине 60-х годов прошлого века. В США это система "Transit" (позднее переименованная в NNSS, Navy Navigation Satellite System), в СССР – система "Цикада" (позднее, "Парус"). Каждая такая система имеет от 4 до 7 низкоорбитальных навигационных спутников (высота орбит около 1000 км). ИСЗ размещаются по одному на круговых полярных орбитах (проходящих вблизи полюса, наклонение 80-90°). Орбиты равномерно распределенных вдоль экватора. Период обращения ИСЗ составляет 100-105 мин. СРНС первого поколения позволяют потребителю в среднем через каждые полтора–два часа входить в радиоконтакт с одним из ИСЗ и определять две свои горизонтальные координаты. Погрешность определения местоположения составляет 50-100 м. Эти системы функционируют до сих пор, но уже не удовлетворяют современным требованиям. Поэтому в начале 70-х годов начали разрабатываться навигационные системы второго поколения. В середине 90-х эти системы были полностью развернуты.

СРНС второго поколения используют высокоорбитальные ИСЗ (высота орбит около 20000 км). Это гарантирует непрерывную радиовидимость в любой точке Земли одновременно не менее четырех навигационных ИСЗ и обеспечивает возможность в любой момент времени определять три координаты, точное время и скорость.

В системе GPS функционирует 24 спутника, размещенных на шести круговых орбитах (по четыре спутника на каждой). Период обращения НИСЗ GPS – около 12 ч. Это значит, что спутник GPS ежедневно повторяет свою траекторию с "опозданием" в 4 мин.
3. Спутники GPS (Характеристики сигналов GPS)

Принцип определения координат в системе GPS основан на точном измерении времени распространения сигнала от спутника до приемника. Поэтому одной из центральных проблем в GPS является проблема взаимной синхронизации часов на спутниках с точностью до миллиардных долей сек (т.е. до наносекунд). Расхождение излучаемых спутниками сигналов в 10 нс вызывает погрешность в определении координат до 10-15 м. На ИСЗ установлены атомные часы, обеспечивающие ход бортовых часов с наносекундной точностью. А это 0,000000001 с! Атомные часы – цезиевые Точность определения эфемерид (т.е. положения ИСЗ на орбите) ~ 5 м. Для гражданских потребителей ее ухудшают до 30-50 м. Планируется точность до 20 см.

Спутники GPS непрерывно излучают сигналы на двух несущих частотах: f1=1.6 ГГц и f2=1.2 ГГц. При этом сигналы особым образом кодируются с помощью псевдослучайных последовательностей импульсов (битов). Каждый спутник использует свой код, что позволяет всем ИСЗ GPS работать на общих частотах и одновременно определяет индивидуальный номер спутника в системе, так называемый PRN-номер (сокращение от английского "pseudorandom noise" – "псевдослучайный шум"): PRN01, PRN12. Кодировка обеспечивает возможность регистрировать показания часов ИСЗ в приемнике GPS. Кроме того, с помощью кода передается служебная информация об орбитах ИСЗ, о параметрах атмосферы, поправки системного времени и т.д.

В GPS используется несколько типов кодов. Код свободного доступа C/A (для гражданских потребителей; расчетная точность определения дальности 3 м), защищенный код P (для военных и гражданских потребителей; расчетная точность определения дальности 30 см), закрытый код Y (для военных, его расшифровка возможна только с помощью специальной микросхемы). И наконец, навигационное сообщение со служебной информацией.

Вес одного ИСЗ GPS около 900 кг, размер более 5 м, включая солнечные батареи. На каждом ИСЗ установлены атомные часы, обеспечивающие высокую точность (10-9 сек), вычислительно кодирующее устройство и передатчики мощностью 50 Вт и 8 Вт, излучающие на частотах f1 = 1575,42 МГц и f2 = 1227,60 МГц.
4. Приемники GPS

GPS-приемник производит выбор рабочего созвездия навигационных ИСЗ, обработку измеряемых радионавигационных параметров, расчет координат. Важнейшими характеристиками GPS-приемника являются: число одновременно наблюдаемых ИСЗ (число каналов); число рабочих частот (одна или две); способ измерения (кодовый или фазовый).

Наиболее важными являются две последних, т.к. они задают точность определения координат. Но фирмы-производители обычно не афишируют эти характеристики потому, что большинство массовых моделей – одночастотные кодовые. Фирмы делают акцент на числе каналов. По принципу, чем больше, тем лучше.

Большинство GPS-приемников способны принять сигнал одновременно от 12 спутников. В настоящее время в продаже появились 14- и даже 18-канальные приемники. Но одновременно принять сигнал даже от 12 спутников очень сложно. Для этого необходимо находиться на открытом месте. Принять же сигнал сразу от 18 спутников практически невозможно, так как часть из них скрыта и находится по другую сторону земного шара.


5. Как определяют координаты в GPS? (Принцип определения координат)

Принцип определения координат в системе GPS достаточно прост. Длина отрезка, если известны координаты его концов, рассчитывается по формуле. Если расстояние D между приемником и ИСЗ известно и известны координаты спутника (xS, yS, zS), из этой формулы можно определить координаты приемника (x,y,z). Но поскольку координаты три, то в приемнике должны быть измерены расстояния до трех различных ИСЗ. В результате для трех переменных получаем систему трех уравнений, решаем ее и находим координаты приемника.

Расстояние между приемником и ИСЗ (дальность) вычисляется либо как скорость света (радиосигнал распространяется со скоростью света) умноженная на время распространения сигнала, либо как длина волны умноженная на набег фазы несущей частоты. Время распространения и набег фазы измеряются приемником. Очевидно, что чем точнее будут измерены эти величины, тем точнее будут определены координаты. Отсюда высокие требования к синхронизации часов. К сожалению, часы – не единственный фактор, влияющий на точность измерений.
6. Что такое "ионосфера"? (Ионосфера)

Использование системы GPS построено на предположении, что скорость распространения сигнала от спутников постоянна и равна скорости света. Однако это условие выполняется только в вакууме. В действительности между приемником и спутником располагается слой заряженных частиц – ионосфера Земли. Ионосфера воздействует на радиоволну также, как стекло на луч света: в ионосфере происходит преломление радиоволны. При этом путь сигнала увеличивается и возникает задержка распространения сигнала, которая делает невозможным точное вычисление расстояния до спутника. Ошибки, вносимые ионосферой, могут достигать 30 м. Т.о. при определении координат ионосфера является помехой, для устранения ионосферной задержки в GPS-приемниках применяются специальные методы.

В тоже время ионосферная задержка делает возможным использование GPS для исследования самой ионосферы. А исследование ионосферы – очень важная задача, поскольку ионосфера влияет на распространение всех радиоволн. Это значит, что качество телевидения, радиовещания, спутниковой связи, навигации, локации зависят от состояния ионосферы. Большинство КА летают внутри ионосферы, испытывая на себе ее влияние. Предсказывать погоду нельзя без учета процессов в ионосфере. Т.о. ионосфера – очень важная составляющая часть атмосферы Земли. Контроль и прогноз состояния ионосферы необходимы также, как метеорологические прогнозы. Какая же она, ионосфера? Познакомимся с ней поближе.
7. Характеристики ионосферы: Ne

Ионосфера образуется за счет ионизации солнечным излучением атмосферного газа.

Одна из важнейших характеристик ионосферы – концентрация электронов Ne (именно электроны оказывают влияние на распространение радиоволн). Распределение электронов вокруг земного шара неравномерно и постоянно меняется. Прежде всего, Ne зависит от высоты. Больше всего электронов располагается на высоте 250-300 км. Это главный максимум ионизации. Вокруг него располагается самый мощный ионосферный слой – слой F. Ниже лежат два слоя: E (100-120 км), D (60-70 км). Выше главного максимума Ne постепенно убывает. Днем Ne выше, чем ночью. На экваторе Ne выше, чем на полюсах. Ne сильно меняется во время солнечных вспышек и магнитных бурь. Наконец, внутри ионосферы постоянно возникают и исчезают области с пониженным или повышенным содержанием электронов – неоднородности Ne.
8. Характеристики ионосферы: ПЭС

Другая важная характеристика ионосферы – ПЭС. Ne – число электронов в единице объема. Если просуммировать Ne вдоль некоторого луча (например, вдоль луча "приемник-ИСЗ GPS"), получим число электронов в столбе с единичным сечением. Это число и называется ПЭС. Математически это записывается, как интеграл вдоль направления "приемник-спутник". Этой формулой определяется "наклонное" ПЭС. Оно зависит от расстояния D между приемником и ИСЗ. А расстояние зависит от угла наклона луча "приемник-спутник". Чтобы можно было говорить об абсолютном значении ПЭС вводят понятие "вертикальное" ПЭС, которое в первом приближении получается из "наклонного" простым умножением на синус угла наклона луча.

Для ПЭС введена специальная единица измерения 1 TECU = 10**16 электронов/м**2. TECU – сокращение от английского названия "Единица измерений ПЭС".

ПЭС можно измерять с помощью сигналов GPS, т.к. ионосферная задержка радиосигнала пропорциональна ПЭС. Все основные свойства Ne отражаются в ПЭС.

Важную роль при измерениях ПЭС играет понятие ионосферной точки. Поскольку величина ПЭС является интегралом, она не может быть сопоставлена с конкретной точкой пространства, как Ne. Установлено, однако, что основной вклад в интеграл дает область ионосферы, расположенная в окрестности главного максимума ионизации. Поэтому договорились считать, что ПЭС формируется в ионосферной точке – точке пересечения луча "приемник-спутник" со сферой, расположенной на высоте главного максимума ионизации. Проекция ионосферной точки на поверхность Земли носит название подионосферной точки.
9. Как исследуют ионосферу? (Методы исследования ионосферы)

Изучение ионосферы началось в 20-х гг. прошлого века. Большинство наших знаний о структуре и динамике ионосферы получены с помощью радиофизических методов. В нашем институте исследованиями ионосферы с помощью радиофизических методов занимается Отдел физики атмосферы, ионосферы и распространения радиоволн.

Старейшим и до сих пор одним из основных является метод зондирования специальным радиолокатором, который называется ионозондом. Зондирование может быть вертикальным или наклонным. Сигнал, посылаемый ионозондом (рабочие частоты 1-10 МГц), отражается от главного максимума ионизации. По анализу отраженного сигнала можно определить высоту максимума и значение электронной концентрации в максимуме, а также высотное распределение концентрации ниже главного максимума. В 50-60-е годы была создана мировая сеть ионозондов ВЗ (300 станций тогда, около 100 сейчас). Ионозонды сети до сих пор днем и ночью каждые 15 минут просвечивают ионосферу. До появления GPS это был единственный инструмент, который вел непрерывный, согласованный контроль (мониторинг) состояния ионосферы. С помощью сети ионозондов получена общая картина распределения и поведения Ne в ионосфере. Для исследования верхней части ионосферы используются ионозонды, расположенные на борту ИСЗ. Старейшая ИС – в Англии S… с 20-х годов. В России старейшая – в Томске, с 1936 г. и все есть в электронном виде.

Измерить концентрацию электронов, температуру электронов и ионов, скорости движения плазмы одновременно во все толще ионосферы от ста до нескольких тысяч километров можно с помощью радиолокаторов огромной мощности (до миллионов ватт) – радаров некогерентного рассеяния. Радары НР работают в диапазоне 150-160 МГц (метровые и сантиметровые волны). Однако, радары НР очень дороги, громоздки и требуют много энергии. Сейчас в мире работает всего 9 таких инструментов (один из них – у нас в институте).

Для исследования ионосферы применяются и другие методы: ракетные измерения, оптические измерения, измерения поглощения космического шума, регистрация сигналов космических радиоисточников.

А в самом конце 20-го века исследователи получили новый инструмент – GPS (1.6 ГГц).


10. Мировая сеть приемников GPS

В 1990 г. была создана первая мировая геодинамическая сеть наземных приемников GPS, предназначенная для слежения за движением континентов. Тогда сеть насчитывала около 100 приемников, которые 2 раза в минуту проводили измерения и поставляли свои данные для свободного использования в Интернет. К настоящему времени общее число наземных приемников GPS, данные которых доступны для научных исследований, превышает 3000. Т.е., плотность приемников сети GPS гораздо выше, чем плотность всех существовавших до настоящего времени сетей ионосферных детекторов. Учитывая, что в каждый момент времени в зоне радиовидимости отдельного приемника GPS находится не менее 5 навигационных спутников, ионосфера Земли сейчас просвечивается одновременно тысячами лучей "приемник-спутник". Это делает сеть GPS уникальным инструментом для исследования верхней атмосферы.


11. GPS в исследованиях ионосферы

С 90-х годов активно ведется разработка технологий использования GPS для дистанционной диагностики ионосферы. Сейчас можно выделить 3 основных направления использования GPS в ионосферных исследованиях: построение глобальных карт полного электронного содержания, GPS-томография ионосферы и регистрация ионосферных возмущений, вызванных самыми разными причинами: солнечными вспышками и солнечными затмениями, магнитными бурями, тайфунами и землетрясениями, взрывами и запусками космических аппаратов.

Так получилось, что мы оказались у истоков этого мощного потока. Мы – это исследовательская группа ИСЗФ СО РАН, которой руководит д.ф.-м.н., профессор Э.Л. Афраймович. В 1996 г. мы начали заниматься разработкой методов регистрации и исследованиями ионосферных возмущений с помощью GPS. В настоящее время ИСЗФ СО РАН является мировым лидером в этой области. Итогом работы нашей группы стала монография, вышедшая в 2006 г. Я коротко расскажу о всех направлениях и подробнее остановлюсь на результатах, полученных нами.
12. GPS-томография ионосферы

Томография – восстановление структуры среды по прошедшему сквозь нее излучению.

В настоящее время хорошо разработаны методики по радиотомогрфии ионосферы с применением сигналов низкоорбитальных навигационных систем. Эти методики позволяют получать двумерные (высота, широта) распределения Ne вдоль трассы, на которой располагаются приемные станции. Такие распределения называют РТ-сечениями. На сечениях хорошо виден главный максимум ионизации на высоте около 300 км, крупномасштабная структура ионосферы с увеличением Ne к экватору, а также крупномасштабные неоднородности Ne.

Томография ионосферы с помощью высокоорбитальных навигационных систем GPS/ГЛОНАСС сейчас активно развивается. Методы GPS-томографии позволят получать четырехмерные (три пространственные координаты и время) распределения электронной концентрации. Но разработчикам необходимо преодолеть некоторые технические и математические трудности.

В России ведущей в области томографии ионосферы является группа из МГУ под руководством профессора Вячеслава Евгеньевича Куницына (зав. каф. физики атмосферы).
13. Глобальные карты ПЭС

Сеть приемников GPS впервые за почти уже вековую историю ионосферных исследований позволила построить карты распределения ионизации вокруг земного шара. Технология построения карт разработана в американских университетах и основана на усреднении ПЭС, полученного на всех приемниках мировой сети GPS. Карты отражают общую картину распределения и поведения ионизации. Вблизи экватора ионизация выше. Днем (под лучами Солнца) она очень сильно возрастает. По нескольким картам можно проследить динамику ионизации в течение суток. Карты уже сейчас достаточно широко используются для контроля за состоянием ионосферы. Возможно Карты ПЭС - первый шаг на пути к прогнозированию космической погоды. Ведь известно, что заметный прогресс в прогнозировании погоды начался после того, как метеорологи научились строить карты давления, температуры, ветра в атмосфере.


14. Сколько электронов в ионосфере?

Сколько электронов в ионосфере? Интересный вопрос, не правда ли? С помощью глобальных карт ПЭС это оказалось возможным посчитать! В 2006 г. проф. Э.Л. Афраймович предложил метод расчета и назвал это число Глобальным Электронным Содержанием (ГЭС).


15. ГЭС - глобальное электронное содержание

Оказалось, что в пространстве, ограниченном орбитой спутников GPS, содержится примерно 10**32 электронов. Однако, это число меняется в зависимости от условий. На величину ГЭС влияют три основных фактора: солнечная активность, процессы в магнитосфере Земли и процессы в нейтральной атмосфере. При этом ГЭС выявляет закономерности, характеризующие динамику ионосферы в целом (локальные особенности сглаживаются при расчете). Т.о. этот новый обобщенный ионосферный параметр может быть использован, как индекс состояния ОКП.

В геофизике есть много различных индексов. Уровень солнечной активности характеризуют число солнечных пятен и интенсивность радиоизлучения Солнца. Есть свои индексы, для описания геомагнитного поля. А индекса, который характеризовал бы состояние ОКП до сих пор не было. Теперь он появился. И создан он у нас, в Иркутске, в ИСЗФ СО РАН! Есть, чем гордиться.

Кроме того, показано, что поведение ГЭС повторяет поведение ультрафиолетового и радиоизлучения Солнца. Это делает возможным восстановление параметров солнечного излучения по данным ионосферных измерений (решение обратной задачи).

Наконец, ГЭС может использоваться для проверки и коррекции моделей ионосферы.
16. Регистрация ионосферных возмущений

Карты ПЭС и ГЭС дают общую картину поведения ионизации. При построении карт и расчете ГЭС используется усреднение, поэтому получить с помощью них информацию о локальных особенностях (т.е. о неоднородностях электронной концентрации) нельзя.


17. Программный комплекс GLOBDET

Для изучения возмущений ионизации по данным GPS нашей исследовательской группой (в ИСЗФ СО РАН) создан специальный программный комплекс GLOBDET.

С помощью комплекса мы получаем данные измерений приемников GPS с сервера, на котором они хранятся. Затем рассчитывается ПЭС и другие необходимые параметры (координаты ИСЗ и ИТ). После этого вступают в действие (запускаются) программы анализа данных. С их помощью выделяют интересующие возмущения ПЭС, определяют их характеристики и параметры их движения. Особо хочу отметить, что в комплексе реализованы оригинальные алгоритмы, которые позволяют определять направление и скорость перемещения ионосферных возмущений. Возмущения ПЭС вызваны неоднородностями Ne в ионосфере. Все расчеты проверяются с помощью моделирования. Комплекс GLOBDET используется также для регистрации сбоев в приемниках GPS и проверки точности навигационных измерений.

Комплекс работает уже более 10 лет. С его помощью получено много интересных, новых результатов.


18. Отклик ионосферы на геомагнитные бури

Геомагнитная буря – сложное, многогранное явление в ОКП, связанное с перестройкой магнитного поля Земли. Во время сильных бурь ионосфера подвергается существенным изменениям. На Глобальных картах ПЭС (здесь они построены в полярных координатах) можно видеть, что во время бури существуют две области повышенной ионизации: вокруг магнитного полюса и вблизи экватора на дневной стороне (экваториальная аномалия). Это области, где наиболее сильно влияние магнитного поля.

С помощью комплекса GLOBDET мы установили, что после начала бури в ионосфере практически синхронно в северном и южном полушариях вокруг геомагнитных полюсов возникают крупномасштабные волны. Период этих волн 40-60 мин. Волны распространяются к экватору до широт 35-30°. Используя станции GPS в 5 долготных секторах северного полушария, мы рассчитали скорость и направление перемещения этих волн. Оказалось, что волны двигаются не строго на юг, а на юго-запад, т.е. существует эффект "закручивания" распространения в сторону, противоположную вращению Земли. С чем он связан, сейчас выясняется. Наиболее вероятно – с силой Кориолиса.

По данным сети GPS мы впервые получили экспериментальное подтверждение теории, согласно которым на склонах КМ волн, где электронная концентрация меняется особенно сильно, должны возникать возмущения более мелких масштабов. Действительно, распространение КМ волн во время магнитных бурь сопровождается усилением интенсивности колебаний с периодами 1-10 мин. Все вместе это приводит к сильным искажениям сигналов GPS и увеличению погрешности позиционирования в системе GPS во время магнитных бурь.


19. Ионосферные эффекты солнечных вспышек и солнечных затмений

Вспышка на Солнце представляет собой внезапное выделение энергии. При этом в ионосфере происходит быстрое импульсное увеличение Ne одновременно на всей освещенной Солнцем поверхности Земли. На этом эффекте основан новый метод глобального детектирования солнечных вспышек, разработанный в нашей группе. Если просуммировать вариации ПЭС, зарегистрированные на всех доступных приемниках GPS, случайные колебания погасят друг друга, а амплитуда отклика на вспышку возрастет, т.к. он регистрируется одновременно на всех освещенных станциях. На ночной стороны отклика нет.

Этот метод позволил выделить и изучить реакцию ионосферы не только на мощные, но и на слабые солнечные вспышки, что до появления GPS не удавалось сделать из-за низкой чувствительности измерений. Было показано, что интенсивность отклика ионосферы зависит от мощности вспышки, спектра ее излучения, а также от положения вспышки на диске Солнца.

Мы провели исследование реакции ионосферы на 4 солнечных затмения. Во время затмения наблюдается глубокое уменьшение Ne одновременно в большом объеме пространства с радиусом не менее 600 км. Запаздывание минимального значения ПЭС относительно максимальной фазы затмения на высоте ионосферы составляет около 8-15 мин. Это говорит о глубоких изменениях в процессе ионообразования во время солнечного затмения.


20. Солнечный терминатор

Солнечный терминатор (СТ) – граница, отделяющая освещенное (дневное) полушарие от темного (ночного). Различают утренний терминатор, когда Солнце всходит, и вечерний терминатор, когда Солнце заходит. СТ характеризуется регулярностью появления и протяженностью. СТ оказывает влияние на атмосферу во всей ее толще и на всех широтах, что выделяет его на фоне прочих источников атмосферных возмущений. Скорость движения терминатора: на экваторе V= 463 м/с, на широте 77.5° V=100 м/с (сверхзвуковая).

С приходом СТ начинается коренная перестройка ионосферы: рост ионизации утром и возвращение к ночному уровню вечером. Это характерный суточный ход, который наблюдается, практически, во всех ионосферных измерениях. При прохождении СТ происходят самые сильные в течение суток изменения таких величин, как Ne, ПЭС, температура, давление.

В конце 60-х гг. с помощью ИСЗ обнаружили также увеличение интенсивности колебаний Ne в утренние и вечерние часы. Было высказано предположение, что движение СТ может вызывать развитие неустойчивостей и генерацию волновых возмущений в ионосферной плазме. Это послужило поводом для целого ряда теоретических и экспериментальных исследований эффектов СТ. Однако до сих пор экспериментальные данные получались на одиночных станциях и лишь для временных вариаций ионосферных параметров. Это затрудняет достоверную идентификацию волн, связанных с СТ, т.к. волновые возмущения могут генерироваться в ионосфере самыми разными источниками.

GPS впервые позволила получить и временной, и пространственный образ "терминаторного" возмущения. Было показано, что через 1-2 ч после прохождении СТ регистрируются возмущения ПЭС, которые во временной области имеют форму волновых пакетов (продолжительность 1-2 ч, период ~15 мин, длина волны 100-300 км). Восстановить пространственную структуру пакетов удалось на плотной сети приемников GPS в Японии. Число приемников там больше 1000, разрешение 30-50 км. На рисунке цветом показаны значения отфильтрованного ПЭС в ионосферных точках спутника PRN10 над Японией для одного момента времени. Обратите внимание: число приемников таково, что ионосферные точки повторяют контур Японии! На рисунке хорошо видно чередование в пространстве минимумов (синие) и максимумов (красные) ПЭС, т.е. существует пространственная волна (длина ~300 км). На ролике, где собраны подобные картинки в последовательные моменты времени, увидим, как эта волна движется с севера на юг вслед за терминатором.

Работы по исследованию эффектов СТ в нашей группе сейчас в полном разгаре. Очень много вопросов есть неясных, и очень интересные перспективы открываются.


21. Отклик ионосферы на землетрясения

По теоретическим представлениям землетрясение можно сравнить с сильным ударом, который возбуждает в атмосфере ударную акустическую волну. Ударная волна распространяется вверх в узком секторе углов. Достигнув высоты F-области ионосферы, ударная волна становится источником возмущения ионосферной плазмы, который представляет собой распространяющуюся сферическую волну. Такова теория. До появления GPS получить экспериментальное подтверждение этой гипотезы не удавалось из-за малого количества станций зондирования. С помощью GPS нам удалось показать, что теория верна.

Реакция ПЭС на землетрясение на отдельном луче "приемник-ИСЗ" носит характер импульса, который хорошо выделяется на фоне шумовых колебаний. Регистрация таких откликов на всех доступных лучах в зоне землетрясения показала, что возмущений ПЭС имеет форму сферической волны. Направление перемещение возмущения, которое определяется на различных приемниках GPS, совпадает с направлением на эпицентр землетрясения. Скорость возмущения составляет около 1000 м/с и близка к скорости звука в ионосфере. Рассчитанное положение источника волны в горизонтальной плоскости близко к положению эпицентра (точность 50-100 км). А высота источника оказалась равной 260-350 км (для разных землетрясений). Т.е. источник ионосферных возмущений, генерируемых во время сильных землетрясений, расположен на высоте F-области ионосферы над эпицентром. С помощью моделирования нам удалось восстановить картину распространения ионосферного возмущения над эпицентром.

Похожая реакция ионосферы наблюдается во время наземных взрывов.


22. Ионосферные эффекты при запусках ракет

Ионосферные эффекты при стартах космических аппаратов связаны с механическим воздействием на атмосферу работающих двигателей и с изменением химического состава атмосферы при выбросах продуктов сгорания топлива ракет. Наиболее ярким проявлением химической модификации является значительное (в несколько раз) падение Ne на высоте главного максимума ионизации – образование «ионосферной дыры». «Дыра» существует около 1 часа, имеет размер в десятки километров. Характерное проявление механического воздействия – генерация УАВ при сверхзвуковом полете ракеты в плотных слоях атмосферы. Технология GLOBDET позволяет детектировать именно УАВ. С помощью комплекса GLOBDET обработано более 50 запусков ракет различного типа с четырех космодромов: Байконур (Казахстан, 47 запусков), Kennedy Space Centre (США, 3 запуска), Kodiak (США, 1 запуск), Jiuquan (Китае, 1 запуск).

После запуска в вариациях ПЭС регистрируются характерные колебания, вызванные распространением УАВ. В отличие от других радиофизических методов система GPS позволяет уверенно регистрировать ионосферный отклик на запуски независимо от времени суток и сезона. Наши исследования показали, что форма отклика ПЭС не зависит от типа ракеты-носителя. Особо следует отметить сходство ионосферного отклика на УАВ при запусках КА, землетрясениях и взрывах. Это сходство уже отмечалось при зондировании ионосферы другими методами. Вся статистика наших GPS-измерений подтвердила данное наблюдение. И теперь можно утверждать, что реакция ионосферы на УАВ не зависит от природы источника УАВ.

Расчеты показали, что в горизонтальной плоскости УАВ распространяется почти перпендикулярно траектории движения ракеты, что соответствует теории. Скорость волны (600-1300 м/с) близка к скорости звука на высотах максимума F-области ионосферы.

Рассчитанное с помощью разработанных нами методов положение источника УАВ при запуске космических аппаратов не совпадает с положением стартовой площадки, а смещено от нее на расстояние 200-1000 км (в зависимости от типа ракеты-носителя) вдоль траектории. Высота полета ракеты на данных участках составляет около 100 км. Таким образом, мы получили экспериментальное подтверждение теории, согласно которой генерация УАВ происходит на горизонтальном участке траектории, когда ракета-носитель достигает высоты около 100 км [Нагорский, 1998; Li et al., 1994;Calais and Minster, 1995,1996]. Этот участок проходится ракетой со сверхзвуковой скоростью на ~200 сек полета и на расстоянии не менее 500 км от стартовой площадки.
23. Сбои измерений GPS

При разработке системы GPS считалось, что влияние ионосферы на сигнал сведется только к эффектам преломления и может быть легко компенсировано с помощью относительно простых средств. В спокойных условиях так оно и есть.

Однако, во время магнитных бурь и солнечных вспышек на распространение радиоволн существенно возрастает воздействие ионосферных неоднородностей. Это приводит к снижению точности определения координат и даже к сбоям измерений в одно- или двухчастотных режимах.

В 1999 г. в это не хотели верить. И наши первые работы на эту тему даже отказывались публиковать. Но факты – упрямая вещь. Сейчас на международных конференциях целые секции посвящают проблемам качества функционирования СРНС. Большой материал об этом накоплен и нами. Мы показали, что во время магнитных бурь возрастает интенсивность возмущений ПЭС. Тут же увеличивается погрешность определения координат в несколько раз, достигая величин 90-200 м (вместо 30 м в спокойных условиях). Одновременно возрастает и плотность фазовых сбоев во всех режимах измерений (в 1.5 раза), достигая 10% от общей плотности наблюдений. Количество сбоев для ИСЗ на освещенной стороне Земли существенно (в 5-10 раз) выше, чем в ночном секторе.

Во время солнечных вспышек сбои GPS могут быть обусловлены не только ростом интенсивности ионосферных неоднородностей, но и прямым воздействием радиоизлучения Солнца, уровень которого возрастает во время некоторых вспышек. Пример такого события приведен на рисунке. Вспышка 6 декабря сопровождалась очень высоким потоком радиоизлучения. При этом на протяжении 5-20 мин работа GPS на всей освещенной стороне Земли была частично парализована. Уверенный прием сигнала был нарушен на подсолнечной стороне для 10-20% станций GPS. Из этих станций на 20-80% отмечена потеря сигнала на обеих частотах, при которой определение координат вообще невозможно.

Т.о. GPS оказалась более чувствительной к ионосферным возмущениям, чем это ожидалось, и разработчикам теперь приходится это учитывать.


24. Выводы

GPS открыла новую эру в дистанционной диагностике ионосферы.



Создана возможность для организации глобального непрерывного контроля за состоянием ОКП с высоким пространственно-временным разрешением, а также для прогноза космической погоды.

25. Спасибо за внимание!




скачать файл



Смотрите также:
Лекция «Принципы гнсс-зондирования ионосферы»
196.59kb.
Почему показания тахографа могут отличаться от показаний одометра
54.19kb.
Российский спутник дистанционного зондирования
20.25kb.
Программа практикума по нанотехнологии (осенний семестр)
19.87kb.
Лекция №10. Основные устройства компьютера План
56.34kb.
Цель курса: изучение ледников посредством спутникового зондирования и геоинформационного картографирования
6.9kb.
В. Б. Борщев и B. H. Partee. Казань, кгу, Апрель 2003 стр. Лекция
411.65kb.
Шварев Сергей Валентинович
281.1kb.
Публичная лекция Е. Г. Дозорцевой Лекция: "Психология и право"
702.04kb.
I. История древнерусской литературы
541.71kb.
Беларусь имеет значительные наработки в области дистанционного зондирования земли. Сотрудникает с другими странами в области геоинформатики
49.71kb.
Лекция. Периферийные средства мк-51 Лекция
71.5kb.