Исследования возмущений ионосферы и GPS-сигналов методами интерферометрии и вейвлет-анализа

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙРЕВОЛЮЦИИ, ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА____________________________________________________________ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиУДК 550.388.2; 520.24; 537.86Зиенко Андрей СтаниславовичИССЛЕДОВАНИЯВОЗМУЩЕНИЙ ИОНОСФЕРЫИ GPS-СИГНАЛОВМЕТОДАМИ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИИ ВЕЙВЛЕТ-АНАЛИЗАСпециальность 25.00.29 – физика атмосферы и гидросферыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 2008 г.Работа выполнена на кафедре физики атмосферы физического факультетаМосковского Государственного Университета им. М.В.

ЛомоносоваНаучный руководитель:кандидат физико-математических наук, доцентЗАХАРОВ Виктор ИвановичНаучный консультант:доктор физико-математических наук, профессорКУНИЦЫН Вячеслав ЕвгеньевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорЛУКИН Дмитрий Сергеевичдоктор физико-математических наук,ШАЛИМОВ Сергей ЛьвовичВедущая организация:Институт Земного Магнетизма и Распространения РадиоволнЗащита диссертации состоится «24» декабря 2008 г. в ____ часов на заседанииДиссертационного совета Д501.001.63 при МГУ им.

М.В. Ломоносова по адресу:119992 Москва, Ленинские горы, физический факультет, аудитория _____С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.Автореферат разослан«»2008 г.Ученый секретарьДиссертационного совета Д501.001.63кандидат физ.-мат. наукВ.Б.

СМИРНОВ2Актуальность работы.Наличие неоднородных структур в атмосфере и ионосфере Земли являетсятипичным состоянием этих сред и связано с различными явлениями [1-7]. Вопервых, речь идет о целом многообразии процессов, протекающих на Солнце ив околоземном космическом пространстве (ОКП) [1-3, 7]. Во-вторых, ионосферакак часть атмосферы является индикатором различных динамических процессовв системе «планета Земля – атмосфера», например, тайфунов, циклонов,землетрясений и проч.Под термином «неоднородные структуры» или«неоднородности» ионосферы и атмосферы понимается отклонение параметровионосферной плазмы и атмосферных полей температуры, давления, влажности отсредних, равновесных значений для данного сезона, времени суток, высоты игеомагнитных условий.Ионосфера является уникальной средой для эффективного выделения иизучения возмущений различной природы, поскольку появление в нейнеоднородностей различных пространственно-временных масштабов приводит кизменению условий распространения радиоволн, используемых для различныхприложений.

Изучая характеристики зондирующих трансионосферных сигналови их временные вариации, можно исследовать изменения в состоянии атмосферыи ионосферы, а количество регистрируемых феноменов может быть индикаторомширокого круга процессов в изучаемых средах, включая и явления, связанные скосмической погодой [7].Такая постановка задачи важна не только с прикладной точки зрения,поскольку радиофизический аспект обусловлен именно влиянием неоднородныхструктур на распространение радиоволн в широком диапазоне длин (от сотенметров до десятков сантиметров), используемых в радиосвязи, радиолокации,радионавигации и радиоастрономии, но и с точки зрения исследовательскихзадач зондирования в физике атмосферы, ионосферы и околоземногопространства.В последние десятилетия осознается необходимость глобальногомониторинга нестационарной и неоднородной ионосферы как части атмосферы,т.е.

среды распространения радиоволн и детектора воздействий на окружающуюсреду. По сути, речь идет об экспериментальных исследованиях атмосферы,сборе и последующем анализе уникального междисциплинарного материала опроцессах в системе геосфер Земли. Такой материал нужен, в частности, и длясоздания единой теории образования неоднородных структур в ионосфере.Итак, экспериментальное исследование структуры и динамикиионосферных неоднородностей (далее ИН) различных типов является актуальнойзадачей физики атмосферы Земли. Эти возмущения могут носить волновойхарактер и быть проявлениями атмосферных внутренних иакустикогравитационных волн (ВГВ и АГВ соответственно), которые дают существенныйвклад в общую динамику и энергетику верхней атмосферы [5,6].

Уникальность и3сложность изучения волновых возмущений связана с именно с тем, что причиныих появления в ионосфере могут быть различны и определяются каквнутренними процессами, протекающими в системе геосфер, так внешнимиусловиями в околоземном космическом пространстве [1-3, 8].Разработанные и опробованные в период МГГ-МГСС методики изученияперемещающихся ИН и квазиволновых возмущений [9] стали классическими, ноостаются актуальными и сейчас для методов трансионосферного зондирования.Использование сигналов навигационной системы GPS [10] без преувеличенияявилось важнейшей вехой развития исследований верхней атмосферы, посколькупозволило решить вопрос систематического сбора информации и изученияионосферы в течение длительного времени в различных регионах Земли. Именнотакой подход к изучению квазиволновых структур ионосферы дает огромныйматериал и позволяет получить новые важные результаты о взаимосвязипроцессов в ОКП.Методы GPS- интерферометрии [11-13] не требуют специальнойкалибровки и используют практически сопутствующую информацию,получаемую при постоянном геодезическом мониторинге планеты.

Количествостанций наблюдения GPS-сигналов только в одной сети IGS сравнимо с числомпостов Всемирного Метеорологического Общества (WMO), накопленколоссальный объем данных. Поэтому очень важно создание эффективныхпрограмм автоматической обработки данных по региональному признаку, темболее, что методы GPS- интерферометрии позволяют исследовать какестественные процессы в средах, так и явления, связанные с антропогенным наних воздействием.В этой связи, основной целью работы является систематическиеисследования ИН и ПИВ, регистрируемых в ионосфере дифференциальнымиметодами на основе GPS – радио интерферометрии в различных геофизическихусловиях и уровнях солнечной активности.Основные задачи, решаемые в данной работе условно делятся на :1)методические, направленные на совершенствование способовобработки спутниковой информации,2)реализацию предложенных методов анализа в конкретном пакетеспециализированных прикладных программ,3)использование созданного ПО непосредственно для обработкиобширного экспериментального материала и проведение геофизического анализарезультатов.Для решения поставленных задач необходимо:- использовать и развить опробованные радио-интерференционные GPS-методыисследования ионосферных неоднородностей;4- развить методики исследования сигналов системы GPS для увеличенияточности определения низкочастотных компонент ионосферных сигналов сиспользованием вейвлет-анализа, отработать методику в ходе численногомоделирования для выработки критериев автоматической обработки данных;- реализовать разработанные методики в конкретном пакете специализированныхприкладных программ,- провести мониторинг ИН с использованием региональных данных, определитьчастоты появления, спектральные характеристики и параметры движения ПИВ,- провести геофизический анализ и интерпретацию полученных результатов.Таким образом, для выполнения работы необходимо создатьвысокоэффективное программное обеспечение и использовать его дляинтерактивного комплексного анализа экспериментальных GPS-данных.Практическая ценность работы состоит в том, что полученныерезультаты по обработке огромных объемов экспериментальных данных иразработанные в диссертации методы, в частности, по использованию вейвлетанализа при исследовании ионосферных сигналов, могут быть использованы дляполучения новых систематических данных о связях в системе геосфер на основеинформации об ионосферных неоднородностях, их динамике и характеристиках.Такая информация необходима для разработки моделей ионосферных процессови взаимодействий, при создании новых высокоэффективных систем диагностикии мониторинга ионосферы; она выступает как значительная часть комплексаметодов по изучению космической погоды, обладающих повышеннойчувствительностью, информативностью и высоким пространственно-временнымразрешением.

Наконец, полученные данные и результаты важны также дляразвития методов прогнозирования ошибок позиционирования в спутниковыхрадионавигационных системах. Созданный в работе комплекс GRASS GPSпозволяет в полуавтоматическом режиме решать задачи региональногомониторинга ионосферы на базе GPS- интерферометрии с возможностьюинтерактивного контроля получаемых данных.Защищаемые положения:1. Методика статистической обработки вейвлет-спектров сложных сигналови исследования ее возможностей.

Практическое определение порогового уровнядетектирования наличия гармоники в реальном сигнале системы GPS.2. Результаты анализа данных сети IGS с использованием созданногооригинального ПО CRASS GPS для наблюдательных сетей в районах Венеции,Детройта и Тихоокеанского побережья Калифорнии в период всего 2005г. иоктября-ноября 2003 г, всего около 800 миллионов индивидуальных измеренийфазы навигационного сигнала. Получено, что солнечные вспышки могутнепосредственно приводить к росту волновой активности и изменению параметра5степенной аппроксимации волнового спектра в несколько раз. Аналогичныеэффекты наблюдаются во время геомагнитных возмущений с амплитудойêDstê>120nT.3.

Впервые для оценки средней скорости коронарных выбросов солнечноймассы при вспышках использованы возникновение волновой активности илиизменение параметра степенной аппроксимации волнового спектра выделенныхквазиволновых структур. Сравнение с независимыми данными измеренийскорости солнечного ветра на ИСЗ SOHO показывает согласие полученныхчисленных значений величин средних скоростей с in situ экспериментами.4.

Определение изменения волновой активности в ионосфере похарактерным особенностям спектральной структуры самих регистрируемыхсигналов системы GPS, а не по интерферометрическим данным, которые требуютспециальных методов детектирования и обработки.Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались нароссийских и международных конференциях: XX Всероссийской конференциипо распространению радиоволн (Нижний Новгород, 2002), XXI Всероссийскойнаучной конференции “Распространение радиоволн” (Йошкар-Ола, 2005), XIIIInternational symposium Atmospheric and ocean optics.