Оценка параметров атмосферы и ионосферы по данным наземного и спутникового приема сигналов высокоорбитальных навигационных систем

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ,ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиУДК 551.510.535:629.783Падохин Артем МихайловичОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ И ИОНОСФЕРЫ ПОДАННЫМ НАЗЕМНОГО И СПУТНИКОВОГО ПРИЕМАСИГНАЛОВ ВЫСОКООРБИТАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХСИСТЕМ.Специальность 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:Доктор физико-математических наук,профессорКуницын Вячеслав ЕвгеньевичОфициальные оппоненты:Доктор физико-математических наукпрофессорЛукин Дмитрий СергеевичКандидат физико-математических наукАлпатов Виктор ВладимировичВедущая организация:Институт физики атмосферы РАНЗащита диссертации состоится «17» апреля 2008 г.в ____ часов на заседании Диссертационного совета Д501.001.63при МГУ им.

М.В. Ломоносова по адресу 119991, Москва, Ленинские горы, дом1, стр. 2, физический факультет, аудитория ___С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУАвтореферат разослан « »2008 г.Ученый секретарьДиссертационного совета Д501.001.63кандидат физико-математических наукВ.Б. Смирнов2Общая характеристика работы.Актуальность проблемы. В связи с использованием спутниковыхнавигационных систем во все большем числе прикладных исследований,задача изучения ионизированных слоев Земли (среды распространенияспутниковых навигационных радиосигналов) особенно в период сильныхгелиогеофизических возмущений приобретает все большее практическоезначение.Известно, что во время сильных гелиогеофизических возмущенийионосфера отличается чрезвычайно сложной структурой и высокойдинамикой.

Каждое такое возмущение обладает как рядом общих сдругими свойств, так и своим уникальным набором специфическихпроявлений,поэтомуисследованиюособенностейструктурыраспределения электронной плотности ионосферной плазмы, вызванныхвоздействием солнечных вспышек на ионосферу Земли, уделяется особоевнимание.Существующие навигационные спутниковые системы второгопоколения GPS/ГЛОНАСС и широкая сеть приемников их сигналов наЗемле позволяют получать данные о пространственной и временнойзависимости поля электронной концентрации в ионосфере и о егоинтегральной характеристике – поле вертикального полного электронногосодержания TEC[1-4]. Уже сейчас сигналы достаточно большогоколичества спутников GPS и ГЛОНАСС доступны непрерывно в любойточке Земли, а с развертыванием системы Galileo это число ещеувеличится.

Информация с сети приемных станций, принимающихсигналы GPS/ГЛОНАСС, предоставляется в специальном формате инаходится в свободном доступе в сети Интернет. Плотностьсуществующей сети станций достаточно велика и позволяет осуществлятьглобальный мониторинг ионосферы Земли, при этом временноеразрешение GPS данных, достаточно для исследований измененийэлектроннойконцентрации,вызванныхбыстрымипроцессами,протекающими на Солнце во время вспышек [4-7].Системы GPS/ГЛОНАСС также дают возможность получатьдополнительную информацию о состоянии атмосферы по даннымспутникового приема их навигационных сигналов. Такие методикиактивно развиваются в настоящее время.

Одним из методов, основанныхна спутниковом приеме сигналов этих систем, является радиозатменныйили рефрактометрический метод [8-10], позволяющий получать данные опараметрах атмосферы в труднодоступных областях, в которыхотсутствуют традиционные измерения. Получаемые при этом данныемогут быть использованы для корректировки входных данныхсуществующих региональных моделей атмосферы.3Цели работы. Моделирование восстановления глобальныхраспределений электронной концентрации в ионосфере по даннымвысокоорбитальных спутниковых навигационных систем. Оценкапараметров распределений электронной концентрации в ионосфере пореальным данным высокоорбитальных спутниковых навигационныхсистем, а также изучение ионосферных эффектов солнечных вспышек поданным этих систем.

Целью работы также является разработка итестирование методов восстановления профилей метеопараметров изпрофилей показателя преломления, полученных рефрактометрическимиметодами.Новизна результатов. Впервые создан комплекс программ длярешения прямой задачи моделирования восстановления глобальныхпространственно-временных распределений электронной концентрации вионосфере по данным высокоорбитальных навигационных систем дляреальной геометрии спутников и приемников для выбранного дня изаданного модельного распределения электронной концентрации.Предложен метод восстановления и оценки параметров поляэлектронной концентрации в ионосферепо фазовым даннымвысокоорбитальных навигационных систем в приближении моделитолстого слоя.Проанализированы возможности восстановления параметровглобальных неоднородностей распределения электронной концентрации(экваториальной аномалии, главного ионосферного провала, суточного иширотного градиентов) в ионосфере, а также параметров ионосферы вовремя солнечных вспышек предложенным методом.Предложениреализованметодоценкиинтенсивностиионизирующего солнечного излучения во время вспышки по данным оскорости изменения TEC, полученным с помощью наземного приемасигналов высокоорбитальных навигационных систем.Предложен новый алгоритм использования данных об интегральномсодержании водяного пара в столбе атмосферы в качестве априорнойинформации при восстановлении параметров атмосферы по данным опрофилях показателя преломления, полученных в радиозатменныхэкспериментах.Научная и практическая ценность работы.

Использованиепрограммного комплекса для решения прямой задачи моделированиявосстановления распределения электронной концентрации в ионосфере,разработанного в данной работе, позволит тестировать различные методымониторингаионосферыподаннымфазовыхизмеренийвысокоорбитальных навигационных систем. Предложенный методполучения параметров распределения электронной концентрации позволит4проводить непрерывное исследование и глобальный мониторингпараметров ионосферы, что важно для практических задач радионавигациии дальней радиосвязи. Предложенный метод получения информации обионизирующем излучении Солнца во время вспышки по фазовым даннымнавигационных систем может давать дополнительную, независимуюинформацию для изучения солнечных вспышек.

Предложенный алгоритмиспользования априорной информации об интегральном содержанииводяного пара при восстановлении метеопараметров из профиляпоказателя преломления расширяет спектр и возможности подобного родаалгоритмов.Апробация работы и публикации. Результаты работыдокладывались на российских и международных конференциях: 2ndCHAMP Science meeting. Sep 1-4 2003. GFZ Potsdam, Special Symposium ofthe URSI Joint Working Group FG (Италия, Матера, 2003г.), «Физическиепроблемы экологии» (Москва 2004г.), Научная сессия, посвященная Днюрадио (Москва 2005г.), Научная конференция «Ломоносовские чтения»(Москва 2005г.), XXI Всероссийская конференция по распространениюрадиоволн (Йошкар-Ола 2005г.), X и XI Всероссийские школы-семинары«Волновые явления в неоднородных средах» (Звенигород 2006, 2007 гг.),XIII International symposium Atmospheric and ocean optics.

Atmosphericphysics (Томск 2006г.), Международная конференция студентов,аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва 2007), Байкальскаяшкола молодых ученых (Иркутск 2007), Asia Oceania Geophysical SocietyMeeting (Bangkok 2007), International Heliophysical Year 2007: New Insightsin Solar-Terrestrial Physics (Звенигород, 2007)По теме диссертацииопубликовано 15 работ в отечественных и зарубежных изданиях.Основные результаты и защищаемые положения:1. Создано программное обеспечение, позволяющее решать прямую задачумоделирования восстановления распределения электронной концентрациив ионосфере для реальной геометрии всех спутников системы GPS иназемных приемников для выбранного дня и предложенногоаналитического модельного распределения, отражающего такиеособенности исследуемой среды, как широтный и суточный градиенты,экваториальная аномалия, главный ионосферный провал, локальныенеоднородности.2.

Предложен метод и создано программное обеспечение длявосстановления глобальных распределений вертикального TEC вионосфере по фазоразностным данным системы GPS. На предложенноммодельном распределении показана возможность восстановленияразработанным методом параметров глобальных неоднородностейраспределения (экваториальной аномалии, главного ионосферного5провала), параметров локальных неоднородностей, внезапного увеличенияTEC во время солнечных вспышек.3.

Проведены реконструкции параметров глобального распределенияэлектронной концентрации в ионосфере (пространственных размеровэкваториальной аномалии, значений TEC в гребнях экваториальнойаномалии, критической частоты слоя F2) по реальным данным наземногоприема сигналов GPS в различные временные периоды и их сравнение сионозондовыми измерениями.4. Предложен и реализован метод оценки интенсивности ионизирующегосолнечного излучения во время вспышки по данным о скорости измененияTEC, полученнымспомощьюназемногоприемасигналоввысокоорбитальных навигационных систем.