Исследования возмущений ионосферы и GPS-сигналов методами интерферометрии и вейвлет-анализа, страница 2

Atmospheric physics (Томск2006г.), Всероссийской Научной Конференции«Ломоносовские чтения»(Москва, 2006г.), Международной научной конференции «Излучение и рассеяниеэлектромагнитных волн» ИРЭМВ-2007 (Таганрог, 2007), XI Всероссийскойшколы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах» (Звенигород2008).По теме диссертации опубликовано 10 работ в отечественных и зарубежныхизданиях.Достоверность результатов, изложенных в диссертации, определяетсяадекватным физическим обоснованием использованных методов и предложенныхметодик, их проверкой численным моделированием и в экспериментах.Полученные в экспериментах физические характеристики находятся вкачественном и количественном согласии с результатами независимыхисследований, опубликованных ранее другими авторами.Личный вклад автора. Основные результаты работы являются оригинальными и получены либо при непосредственном участии, либо лично автором приего работе по :· разработке и тестированию методик статистического исследования сигналовсистемы GPS с использованием вейвлет-анализа,6· созданию и тестированию программного комплекса КРАСС-GPS (CRASSGPS) – инструмента Kомплексного Регионального Анализа СпутниковыхСигналов (Complex Region Analysis of Satellite Signals) навигационнойсистемы GPS,· обработке экспериментального материала и проведении огромного объеманеобходимых вычислений, для чего автором были реализованы различныерабочие схемы применения комплекса CRASS GPS,· проведению геофизического анализа и интерпретации полученных результатов.Структура и объем работы.Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, спискацитируемой литературы и Приложения.

Всего работа содержит _157_ страництекста и список литературы из _117_ наименований.Краткое содержание работы.Во введении сформулирована проблема изучения ионосферныхнеоднородностей различными методами, изложена актуальность исследований вэтом направлении в настоящее время. Рассмотрены цели и задачи работы,показана научная новизна работы и представлены защищаемые положения.В Главе 1 определен предмет настоящих исследований - неоднородныеструктуры в ионосфере - и рассматриваются основные результаты их изучения.Так, в главе приведены результаты экспериментальных исследованийпараметров ионосферных неоднородностей (ИН). Данные получены различнымиэкспериментальными методами и используются при выборе диапазона изучаемыхв работе параметров и для независимого сравнения с полученными в работерезультатами (см. Главу 4).

В п. 1.1 рассмотрены характерные диапазоныинтенсивности флуктуации электронной концентрации ИН и приведенылитературные данные о геометрии и динамике ИН, а также частотных спектрахфлуктуаций электронной концентрации и волновых спектрах наблюдаемыхструктур в различных широтных областях [4-15].Обзору некоторых механизмов формирования неоднородностей посвященп.1.2. Поскольку в данное время не существует единого общепринятогомеханизма образования ионосферных неоднородностей, в работе схематичнопредставлены некоторые основные и достаточно апробированные возможныемеханизмыфизикиобразованиянеоднородностейионосферы,непротиворечащие современным экспериментальным результатам, изложенным вп. 1.1. Механизмы различны для разных ионосферных слоев (D, E, Es, F2) иописывают естественные неустойчивости ионосферной плазмы и еетурбулизации, в том числе внутренними и внешними источниками.7В п.

1.3 рассмотрен один из возможных источников возбуждения ИН –внутренние и акустико-гравитационные волны. Волны приводят к модуляции еепараметров как изучаемой среды, а распространение волнового пакета можноинтерпретировать как перемещение ИН. Указанные возмущения приводят кмодуляции амплитуды и фазы сигнала, которые могут быть выделены, например,радиофизическими методами и изучаются в ряде приложений.

В свете такойтрактовки рассматриваемые нами ионосферные неоднородности можноинтерпретировать как «перемещающиеся ионосферные возмущения» (ПИВ) колебания электронной концентрации, которые распространяются в ионосфере вшироком диапазоне скоростей и высот. Приводятся результаты различныхэкспериментальных исследований ПИВ – характерные периоды и скорости ихраспространения [9,11-13].В качестве кратких итогов Главы 1 п.1.4. содержит принятыеклассификациинеоднородныхструктурнамелко-,среднеикрупномасштабные образования в ионосфере по горизонтальным размерам ивремени проявления структуры в радиосигналах.Глава 2 посвящена обзору развития основных методик диагностикинеоднородностей ионосферы.

Современные методы исследования ИН являютсязакономерным этапом в эволюции и совершенствованием классических методикнаблюдения на новом этапе технического развития. В главе, не претендуя наполноту, кратко изложены основные характеристики некоторых, наиболеераспространенных, методов дистанционной диагностики, экспериментальныерезультаты использования которых, в основном, и представлены в Главе 1.В п 2.1. рассмотрены основные методы диагностики ионосферы, которыеусловно делятся на прямые методы (в том числе, ракетно-зондовые,некогерентного [15] и обратного рассеяния), и косвенные, основанные наисследованиях ИН по их проявлениям в амплитуде и фазе зондирующегосигнала, т.е.

ВЧХ, наземное и трансионосферное зондирование, доплеровскиеизмерения, радиопросвечивание [4-6], наблюдения при вертикальномзондировании за рассеянным полем на поверхности Земли [9],радиоинтерферометрия [11-13] и радиотомография [14]. Набор параметров,определяемых в каждом методе, в целом различен, но основные – характерныепространственно-временные параметры и величины флуктуаций (или вариаций)электронной концентрации - оценивают в любом из перечисленных методовнаблюдения.Рассмотрение указанных методов диагностики позволяет определить местоGPS- радиоинтерферометрии [11-13] среди них. В самом деле, с началомкосмической эпохи стали проводиться исследования ионосферы с помощьютрансионосферных сигналов.

По настоящему масштабными и значимымиподобные методики стали при создании двух информационных составляющихраспределенной наблюдательной сети - глобальных систем навигации с8высокостабильными навигационными сигналами (например, GPS [10] иGLONASS), используемыми в качестве зондирующих, и наземной сети сходныхпо характеристикам приемных систем, на которых регистрация данныхосуществляется в едином формате. Все вместе они дают наблюдательную сеть cогромными и постоянно растущими возможностям систематическогомониторинга околоземного космического пространства.

Такой подход позволяетисследовать волновую взаимосвязь процессов в околоземном космическомпространстве и способствует решению ряда проблем по программе «КосмическаяПогода» [8], работы по которой активно ведутся различными странами исистематизация уникального междисциплинарного материала практическитолько начинается.В п. 2.2. рассмотрены проявления влияния ионосферных неоднородностейна распространение спутниковых сигналов с акцентом на навигационные.Приведены обзорные данные о величинах фазовых флуктуаций и сбоях вразличных геофизических условиях. П. 2.3. посвящен описанию методикииспользования сигналов GPS для исследования ионосферы, рассмотренаструктура сети IGS и регистрируемые на наблюдательной станции параметры.Изложены известные методы определения параметров ИН по контрастуинтерференционной картины, по подобию замираний на приемных станциях истатистический угломерно-доплеровский метод SADM-GPS [11].

Обсуждаютсяточности определения параметров ПИВ при использовании GPS-методик.В п. 2.4. более подробно рассмотрена идеология и реализация методикиопределения параметров ПИВ при использовании GPS- данных. Методикиоснованы на методе SADM-GPS и непосредственно использованы в созданномпри выполнении работ пакете прикладных программ для КомплексногоРегионального Анализа Спутниковых Сигналов - CRASS GPS. Отметим, что вданном пакете, наряду с производной по времени ТEC, нами использовалась дляанализа и производная фазы L1, поскольку амплитуда излучаемого на этойчастоте сигнала системы GPS больше, а сбоев меньше, чем у L2 [10].

Дальнейшиешаги обработки производной фазы аналогичны обработке данных для TEC (TotalElectron Content, полное электронное содержание) но включают в себядополнительную фильтрацию с целью выделения периодик, соответствующихчастотам Брендта- Вяйсяля на ионосферных высотах [5].Реализованная в пакете CRASS GPS процедура обработки данных взаданном географическом регионе является классической и заключается в выбореиз всего массива тех троек станций, для которых расстояния между приемникамименее заданного пользователем (обычно 50…100 км). Такие тройки станцийдалее называются «измерительной ячейкой региональной подсети» или просто«ячейкой подсети».

В настоящее время данные, имеющиеся в Internet, имеютвременное разрешение 15-30с, что позволяет исследовать и средне- масштабные(до неск. часов) периодики сигнала, которые принято связывать с волновыми9процессами в ионосфере, см. Главу 1. В работе использованы известныекритерии выбора времени наблюдения, которое выбирается пользователем исоставляет 2-4 часа.Для каждой измерительной ячейки с помощью созданного ПОопределяется не только стандартный набор параметров (скорость волновогофронта плоской волны, азимут и угол места источника волнового возбуждения,координаты местоположения подионосферной точки в модели WGS84), но испектры мощности и вейвлет-спектры исследуемых сигналов GPS. Спектральныйанализ проводился по методу БПФ для последовательностей произвольныхдлин по Винограду [16] и позволяет сравнить результаты с данными вейвлетанализа, обрабатываемым для увеличения надежности выделения периодик поспециально разработанным методам, изложенным в Главе 3.Созданное в работе ПО позволяет проводить полный анализ данных дляодной ячейки и получать пространственно-временные характеристикидетектированных структур, например, анализировать направления ираспределения скоростей и периодов выделенных структур для заданныхпользователем периодов времени.