Вивчаються можливості адаптації іоносферних моделей в залежності від геофізичних умов для вирішення завдань іоносферного поширення радіохвиль. Наведено результати розрахунку іоносферних параметрів на основі обсервацій файлів IGS-станцій.

Анотація наукової статті з фізики, автор наукової роботи - Захаров В. Є., Черняк А. А.


Estimate of the ionospheric ROT-index using GPR data

Possibilities of adaptation of the ionosphere models in dependence on geophysical conditions are studied with regard to investigate the propagation of radiowaves in the ionosphere. Results of calculations of the ionosphere parameters are presented. To do this, GPS data are used.


Область наук:

  • фізика

  • Рік видавництва: 2006


    Журнал: Вісник Балтійського федерального університету ім. І. Канта. Серія: Фізико-математичні та технічні науки


    Наукова стаття на тему 'Адаптивне моделювання поширення коротких радіохвиль в іоносфері'

    Текст наукової роботи на тему «Адаптивне моделювання поширення коротких радіохвиль в іоносфері»

    ?50

    В.Є. Захаров, А.А. Черняк

    УДК 550.388.2

    В.Є. Захаров, А.А. Черняк

    АДАПТИВНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПОШИРЕННЯ КОРОТКИХ радіохвиль в іоносфері

    Вивчаються можливості адаптації іоносферних моделей в залежності від геофізичних умов для вирішення завдань іоносферного поширення радіохвиль. Наведено результати розрахунку іоносферних параметрів на основі обсервацій файлів IGS-станцій.

    Possibilities of adaptation of the ionosphere models in dependence on geophysical conditions are studied with regard to investigate the propagation of radiowaves in the ionosphere. Results of calculations of the ionosphere parameters are presented. To do this, GPS data are used.

    Вступ

    Діапазон коротких радіохвиль відповідає довжинах хвиль А = 10 - 100 м. Іоносферний механізм поширення коротких радіохвиль заснований на їх ефективному відображенні від шарів іоносфери з досить великими значеннями градієнта електронної концентрації. Поза області ефективного відображення радіохвилі випробовують в основному рефракцію в слабонеоднородной іоносфері. Поширення радіохвиль в слабонеоднородной середовищі можна описати в наближенні геометричної оптики.

    Геометрична оптика в хвильовому розумінні виступає як метод наближеного опису хвильових полів. У слабонеоднородной середовищі хвильове поле вдається розділити приблизно на звичайну і незвичайну хвилі. Поділ може бути проведено методом нормальних хвиль. Розрахунок характеристик кожної з двох квазігармо-нічних хвиль передбачає послідовне вирішення низки завдань:

    1) знаходження траєкторій променів;

    2) обчислення ейконалу;

    3) знаходження вектора поляризації хвилі;

    4) розрахунок амплітуди хвилі з урахуванням поглинаючих властивостей середовища і розбіжність променів.

    У довільній двовимірної або тривимірної середовищі рівняння променів не можуть бути вирішені аналітично. У зв'язку з цим при розрахунку променевої структури поля радіохвиль в іоносфері широко використовуються чисельні методи. Для прискорення розрахунків застосовують різні варіанти кусочно-однорідного або кусочно-неоднорідної апроксимації середовища. Вибір апроксимації передбачає можливість явного обчислення траєкторії променів. Прямий чисельний метод розрахунку траєкторій променів заснований на чисельному рішенні системи диференціальних рівнянь променів в

    Вісник РГУ ім. І. Канта. 2006. Вип. 4. Фізико-математичні науки. С. 50 - 55.

    гамільтонової формі з урахуванням початкових умов. Для вирішення часто застосовують метод Рунге - Кутта або його модифікації.

    Рівняння для ейконалу інтегрується чисельно спільно з рівняннями для променів. Розрахунок амплітуди поля вимагає врахування як ефектів поглинання енергії поля в середовищі, так і ефектів розбіжність променів. Облік розбіжність заснований на обчисленні якобіана перетворення координат, в яких представлені характеристики поля, в променеві координати. Якобіан визначається через похідні від координат уявлення поля по променевим координатами. Щоб знайти ці похідні, променеві рівняння доповнюються системою приєднаних рівнянь.

    Розрахунки поля можна доповнити обчисленням Френелевскую обсягів для контролю умов застосовності наближення геометричної оптики.

    Практичне значення одержаних результатів розрахунків характеристик поля істотно залежить від реалістичності використовуваної моделі іоносфери. До теперішнього моменту розроблений ряд різних іоносферних моделей, проте важливо відзначити наступне:

    1) універсальних моделей не існує;

    2) іоносферні моделі потребують вхідних даних;

    3) рішення, яку модель використовувати, залежить від цілей і потреб дослідників, від наявних ресурсів і необхідних вхідних даних.

    Виділяють три основні категорії моделей: теоретичні моделі, засновані на фізичних законах; параметричні моделі, які спрощують теоретичні моделі в термінах невеликої кількості параметрів; емпіричні моделі, засновані на спостереженнях. Між іоносферними моделями можуть бути істотні відмінності по точності, часової і просторової що дозволяє здібностям. Важливо розділяти моделі, що відображають лише висотні профілі електронної концентрації, і моделі, що дозволяють обчислювати профілі тієї ж концентрації уздовж променевих траєкторій. Можливий адаптивний підхід в застосуванні моделі іоносфери в залежності від геофізичних умов. Тоді параметри моделі іоносфери можуть коригуватися на основі тих чи інших експериментальних даних [1].

    Широко використовується моделлю іоносфери є модель IRI (International Reference Ionosphere). Модель IRI забезпечує достатню точність на середніх широтах в спокійних геомагнітних умовах. В роботі [2] проведена корекція моделі IRI з метою врахування ефектів висипань авроральной плазми з магнітосфери в іоносферу в залежності від рівня геомагнітної активності.

    Використання сигналів навігаційної системи GPS для моніторингу іоносфери

    Глобальна навігаційна система (GPS) - система, що дозволяє визначати координати об'єкта на поверхні Землі. Концепція GPS передбачає, що чотири або більше супутників завжди одночасно видні в будь-якій точці Землі 24 години в день. Сигнал супутника що-

    52

    В.Є. Захаров, А.А. Черняк

    безперервно маркується за часом радіопередачі так, щоб сигнал, що приймається за період прольоту міг бути визначений за допомогою синхронізованого приймача.

    Проходження електромагнітного сигналу через іоносферу призводить до його затримці за часом. Величина затримки залежить в основному від ПЕС (повного електронного вмісту іоносфери, що позначається як TEC - total electron content) і несучої частоти сигналу. У спокійних умовах величина затримки GPS-сигналу в одиницях псевдодальності не перевищує одиниць - десятків метрів, але може досягати сотень метрів в періоди сильних магнітних бур. З'являється можливість оцінки іоносферних параметрів шляхом обробки сигналів GPS.

    Прямий критерій оцінки інтенсивності флуктуацій TEC полягає в оцінці величини середньоквадратичного відхилення, вираженого в TECU: Огес (TECU = 1016 електрон / м2). Інший підхід, которипй обипчно застосовують, використовує швидкість ROT = dTEC / dt зміни величини TEC. В роботі [3] показано, що ROT часто коливається біля деякого середнього значення малої величини. Щоб охарактеризувати статистично неоднорідності дрібнішого масштабу, бипл введений індекс ROTI, що оцінює середньоквадратичне відхилення значень індексу ROT:

    ROTI = ^ (ROT2) - (ROT2, (1)

    де усереднення проведено по 5-хвилинному інтервалі.

    Використання dTEC / dt, а не самого ПЕС, має кілька переваг. Взяття похідної автоматично усуває невідоме значення ПЕС, згладжує повільні варіації фону. Диференціювання підкреслює високочастотні компоненти коливань ПЕС. З іншого боку, диференціювання підсилює ефекти шуму вимірювання і збоїв при вимірах [4].

    В якості вихідних даних битлі взяті обсерваційні файли антарктичних IGS-станцій CAS1, DAV1, MAW1, MCM4 за 2001 рік. Інтервал дозволу даних дорівнює 30 с. Такий інтервал дозволяє виявляти іоносферні обурення розміром порядку десятків кілометрів і більше. Обчислення ROT проводилися на підставі фазовитх вимірювань L1 і L2 обсервацій файлів IGS-станцій:

    ROT, = *. (L2| - L1,) - (L2-1 - L1-1), (2)

    t, -1, -1

    2п

    де * = - 40,3 f0

    (1 + 1 А

    2 + 2

    m2 m

    ; і - номер вимірювання; / 0 = 10,23 МГц - основна частота; т1, т2 - коефіцієнти кратності частот сигналу.

    Розрахунок іоносферних параметрів

    На підставі обчислень, методика яких описана вище, були побудовані контури розподілу ЙОТІ для кожної станції за 2001 рік. На малюнках 1, 2 представлені статистичні карти добового ходу ЙОТІ за 2001 рік над зазначеними станціями. По осі абсцис від-

    ложено світове час (ІТ) в годиннику, по осі ординат - номер місяця в році, по осі видання - кількість відліків, що потрапили в заданий інтервал значень на проміжку часу в 1 годину. Підвищене значення кількості відліків для окремих періодів відповідає більшій інтенсивності флуктуацій ТЕС, а значить, і більшого обурення під час магнітної бурі. На малюнку 1 графіки відображають більш слабкі флуктуації (0,2 < ЙОТІ < 0,5), на малюнку 2 - сильніші (ЙОТІ > 0,5).

    На представлених графіках добре помітні яскраві добові максимуми приблизно о 08:00 ІТ і о 21:00 ІТ протягом усього року.

    2001 рік був кінцем 11-річного сонячного циклу. Тому геомагнітна обстановка залишалася досить обуреної протягом усього року. Протягом року були відзначені сильні магнітні бурі в кінці березня - квітні і в жовтні - на початку листопада: середнє значення планетарного геомагнітного індексу < ЄКР > в березні становило 19, в квітні - 22, в жовтні - 21, в листопаді - 15, а максимальні значення 61, 39, 49 і 54 відповідно.

    На всіх станціях добре помітні інтенсивні обурення в ці місяці. Як правило, число флуктуацій ЙОТІ в ці періоди було вище середнього в будь-який час доби. Варто відзначити більш слабке, але чітко виражене обурення в середині червня (18 червня ЄКР = 34). Найбільш сильні обурення видно на станціях МСМ4 і СЛБ1, в той час як для більш низькоширотних станцій сильних флуктуацій (ЙОТІ > 0,5) практично не помічено. Можна також виділити «область затишшя» - на всіх розглянутих станціях в літні місяці з 14:00 ІТ до 20:00 ІТ не відзначено практично ніяких обурень.

    53

    Мал. 1. Статистичні карти розподілу індексу ЙОТІ. слабкі флуктуації

    54

    02466 10 0123466789

    Мал. 2. Статистичні карти розподілу індексу ІОТ1.

    сильні флуктуації

    Слід зазначити, що для станцій СЛБ1 і ОЛУ1 основна частина збурень спостерігалася в першій половині дня, тоді як для МЛШ1 і МСМ4 обурення в другій половині доби (а точніше, близько 22:00 ІТ) були найбільш сильними.

    висновок

    Основними результатами проведених досліджень є наступні:

    1. Розглянуто можливості коригування іоносферних моделей за допомогою даних системи GPS.

    2. Проведено радіофізичного дослідження динаміки високоширотної іоносфери на основі даних GPS-спостережень за 2001 рік по мережі антарктичних станцій IGS.

    3. Отримані нові дані про розподіл потужності флуктуацій в високоширотної іоносфері в спокійних і обурених умовах.

    А.А. Черняк висловлює подяку канд. фіз.-мат. наук І.І. Шагіму-тів за надання експериментальних даних і обговорення результатів.

    Список літератури

    1. Cander Lj.R., Leitinger R., Levy M.F. Ionospheric models including the auroral environment // Ann. Geophys. 2000. Vol. 16. Р. 969 - 973.

    2. Zakharov V.E., Pudovkin M.I. Electrodynamic coupling between ionospheric convection patterns in the northern and southern hemispheres / / Ann. Geophys. 1996. Vol. 14. P. 419-430.

    3. Pi X., Mannucci A.J., Lindqwister U.J., Ho С.М. Monitoring of global ionospheric irregularities using the worldwide GPS network // Geophys. Res. Lett. 1997. Vol. 24. P. 2283-2286.

    4. Beach T.L., Kintner P.M. Simultaneous global positioning system observations of equatorial scintillations and total electron content fluctuations // J. Geophys. Res. 1999. Vol. 104. P. 22,553-22,565.

    про авторів

    55

    В.Є. Захаров - д-р фіз.-мат. наук, проф., РГУ ім. І. Канта.

    А. А. Черняк - асп., РГУ ім. І. Канта.

    621.391, 621.396, 621.369

    В.А. Пахотін, К.В. Власова, А.В. Антонов, К.Ю. Корольов

    РІШЕННЯ Двопроменева ЗАВДАННЯ ПРИ ПРИЙОМІ іоносферних СИГНАЛОВ

    Описано алгоритм виділення двопроменевий структури сигналів по одному тимчасовому зрізу даних. Представлені результати модельних досліджень.

    The algorithm of allocation of two-beam structure of a signal on one time cut of data is presented. Results of modelling researches are presented.

    Вступ

    При прийомі іоносферних сигналів в точку прийому приходить кілька променів. В результаті на поверхні Землі створюється складна інтерференційна структура поля. Внаслідок малості кутових відмінностей променів період интерференционного розподілу поля істотно перевищує розмір антеною системи (~ 100 - 200 м). У цих умовах кутовий спектральний аналіз не дає можливості вищеліть окремі промені. Вони знаходяться в межах головної пелюстки діаграми спрямованості антеною системи. У цьому дослідженні, на відміну від робіт [1-4], розглянута можливість вирішення двопроменевий завдання по одному тимчасовому зрізу даних. Таке завдання виникає при прийомі широкосмугових імпульсних іоносферних сигналів з малою тривалістю імпульсів.

    Вісник РГУ ім. І. Канта. 2006. Вип. 4. Фізико-математичні науки. С. 55 - 59.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити