Исследования возмущений ионосферы и GPS-сигналов методами интерферометрии и вейвлет-анализа (1102988)
Текст из файла
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.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
