НТО на КЭ МКС

УТВЕРЖДАЮ
Первый проректор Московского
физико-технического института
(государственного университета)
____________ Т.В. Кондранин
«___»__________ 2010 г.
Научно-техническое обоснование
космического эксперимента «Радиозондирование ионосферы
радиотомографическим и радиозатменным методами»
Шифр: «МКС-Глонасс»
1 Цель и задачи эксперимента
Целью проведения КЭ «МКС-Глонасс» является исследование структуры
и
динамики
ионосферы
при
помощи
комбинированного
применения
радиотомографического (РТ) и радиозатменного (РЗ) методов с наземной и
спутниковой регистрацией радиосигналов.
В процессе проведения КЭ решаются следующие задачи:
–
исследование сложных естественных ионосферных образований:
экваториальная аномалия, провалы ионизации, перемещающиеся ионосферные
возмущения, различные «пятна» ионизации (patches and blobs), «пузыри»
(bubbles), квазиволновые структуры и их влияние на процессы в околоземной
плазме и распространение радиоволн;
–
исследование структуры и динамики ионосферных возмущений,
вызванных антропогенными факторами (старты ракет, промышленные взрывы,
нагрев мощными радиоволнами);
–
исследование явлений космической погоды и передачи возмущений в
системе Солнце – солнечный ветер – магнитосфера – ионосфера;
2
–
исследование воздействия высыпаний частиц солнечного ветра на
ионизацию ионосферы, а также воздействия солнечных вспышек на ионосферу.
Для
проведения
существующую
РТ
экспериментов
российскую
РТ
предполагается
систему,
использовать
расположенную
по
линии
Шпицберген – Мурманск – Москва – Сочи. Предполагается использование
данных наземного приема и других систем, в частности, РТ систем на Аляске и
в Юго-восточной Азии.
2 Состояние исследований в настоящее время
Исследование структуры ионосферы важно как для понимания физики
протекающих в ней процессов, так и для разнообразных радиофизических
задач, связанных с распространением радиоволн, поскольку ионосфера
существенным образом влияет на работу различных систем навигации, локации
и связи. Главную роль среди методов зондирования в связи с изменчивостью
ионосферы играют методы дистанционного зондирования, позволяющие
получать информацию в реальном времени. Методы, основанные на
дистанционном зондировании с помощью электромагнитных волн, позволяют
получать распределения показателя преломления среды распространения.
Показатель
преломления,
в
свою
очередь,
содержит
информацию
о
распределении физических параметров среды распространения. Показатель
преломления ионосферы зависит от распределения электронной плотности и
эффективной частоты соударений (плотности нейтралов и плазмы). Показатель
преломления атмосферы включает давление, температуру и влажность воздуха.
Просвечивающее зондирование позволяет использовать сравнительно
маломощные источники на спутниках. Применение томографических методов
– закономерный этап эволюции многих диагностических систем. С начала
90-х
годов
интенсивно
развиваются
методы
радиотомографии
(РТ),
позволяющие восстанавливать пространственную структуру распределения
электронной
концентрации
Существующие
при
низкоорбитальные
радиозондировании
(НО)
ионосферы
навигационные
системы
[1–6].
типа
российских спутников «Цикада» и американских «Транзит», имеющие
3
практически круговую орбиту на высоте около 1000 км, и наземные цепочки
приемников дают возможность получать серии томографических данных по
различным лучам. В РТ-экспериментах прием двух когерентных спутниковых
сигналов на частотах 150 и 400 МГц осуществляется на сети из нескольких
наземных приемных станций, расположенных вдоль траектории спутников и на
расстояниях порядка сотен километров. Такие системы позволяют получать в
плоскости
пролета
спутника
двумерные
(высота-широта)
РТ-сечения
ионосферы на расстояниях в 1–3 тыс. км за времена порядка 10–15 мин.
Разрешение НОРТ ионосферы составляет 20–30 км по горизонтали и 30–40 км
по вертикали. На рисунке 1 приведена схема геометрии РТ-эксперимента: 5
приемников на Земле осуществляют прием спутниковых сигналов. Первые в
мире экспериментальные РТ-реконструкции главного ионосферного провала
были получены в марте-апреле 1990 г. сотрудниками МГУ и ПГИ РАН [7]. На
рисунке 2 представлено одно из первых РТ-сечений. Лишь спустя три года в
1993 г. были получены первые РТ-реконструкции ионосферы зарубежными
коллегами [2]. В настоящее время РТ стала одним из основных инструментов
исследования
распределений
РТ-реконструкции
электронной
перемещающихся
плотности
ионосферных
в
ионосфере.
возмущений
дают
информацию о параметрах возмущений и позволяют исследовать атмосферноионосферные
взаимодействия.
Проведены
РТ-исследования
сильных
возмущений ионосферы, вызванных антропогенными факторами, в частности,
возмущений, вызванных стартами ракет, промышленными взрывами, мощным
КВ излучением [3-5]. В качестве примера на рисунке 3 представлено
РТ-сечение
ионосферы
вследствие
старта
с
ракеты
квазиволновыми
с
возмущениями,
космодрома
Плесецк
возникшими
[3, 5].
В
ходе
РТ-экспериментов в области приэкваториальных широт были выявлены ряд
структурных и динамических особенностей экваториальной аномалии (ЭА):
ориентация
сформировавшегося
ядра
ЭА
в
полуденные
часы
вдоль
направления магнитного поля Земли, существенная ассиметрия краев ЭА и т.д.
[3, 5, 8]. Исследования ЭА были проведены в ходе совместных работ МГУ,
4
Университетов Иллинойса, Тайваня и Уханя. В качестве примера на рисунке 4
представлено типичное НОРТ-сечение ЭА, на котором силовые линии
магнитного поля Земли отмечены белым цветом. Методы НОРТ позволяют не
только получать двумерные сечения концентрации плазмы, но и определять
потоки плазмы, рассматривая последовательные во времени РТ-сечения [8]. В
ходе ряда экспериментов были проведены сопоставления РТ-результатов с
данными ионозондов и радаров некогерентного рассеяния. Российскоамериканский радарно-томографический эксперимент, проведенный осенью
1993 г. сотрудниками ПГИ РАН и МГУ совместно с коллегами Haystack
Observatory и Phillips Laboratory, показал высокое качество РТ-реконструкций и
совпадение результатов РТ и радарных сечений в рамках точностей обоих
методов [9].
Рисунок 1 – Геометрия НО РТ-эксперимента: 5
приемников принимают сигналы НО спутника
Рисунок 2 – Первое в мире РТ-сечение
ионосферы (Москва-Мурманск) 07.04.1990 в
22:05LT
Рисунок 3 – РТ-сечение ионосферы (МоскваМурманск) после старта ракеты c космодрома
Плесецк 18.12.1991 в 06:06LT
Рисунок 4 – РТ реконструкция F- и Еобластей северного гребня ЭА (МанилаШанхай) 12.10.1994 в 15:40LT
5
В настоящее время функционируют ряд НОРТ-систем в различных
регионах мира, которые используются для исследовательских целей:
–
российская цепочка приемников между Москвой и Шницбергеном
(МГУ, ПГИ РАН);
–
низкоширотная цепочка приемников по линии Манила-Шанхай
(университет Тайваня и университет Уханя);
–
скандинавская цепочка приемников (Scandinavia Chain -Sodankylä
Geophysical Observatory);
–
цепочка приемников на севере Скандинавии (Northern Scandinavia
Chain -University of Wales Aberystwyth);
–
цепочка приемников в районе Гренландии (Greenland Chain - Applied
Research Laboratories, University of Texas at Austin);
–
цепочка приемников на востоке Аляски (Eastern Alaska Chain -
NorthWest Research Associates and the University of Alaska).
В последние годы в Индии активно разрабатываются РТ-методы
исследования
ионосферы
и
начаты
работы
по
созданию
индийской
НОРТ-системы (Космический Центр в Тривандруме).
Часть РТ результатов невозможно получить другими методами.
Например, узкий наклонный провал не виден ионозондом, “пальцеобразные”
неоднородности на больших высотах не выделяются методом некогерентного
рассеяния и т.д. Если измерения проводить на нескольких приемных цепочках,
расположенных на расстояниях порядка нескольких сотен километров друг от
друга, можно исследовать трехмерную структуру ионосферы. Основным
существенным ограничением метода НОРТ является необходимость создания
систем со многими линейками приемников. Принципиальное отличие НОРТ
системы от традиционных средств ионосферной диагностики в том, что это
распределенная система: перемещающиеся ИСЗ и сеть приемников дают
возможность непрерывно зондировать среду по всевозможным направлениям и
восстанавливать пространственную структуру ионосферы. Важно отметить, что
в
настоящее
время
созданы
томографические
системы
регионального
6
мониторинга ионосферы в ряде стран. Подобные НОРТ системы приемников
могут стать основой сети глобального мониторинга ионосферы.
С развертыванием высокоорбитальных (ВО) навигационных систем
GPS/ГЛОНАСС появился новый инструмент, который позволяет непрерывно
проводить
измерения
характеристик
проходящих
через
ионосферу
радиосигналов. Информация, постоянно получаемая сетью приемников GPS,
охватывающей почти весь земной шар, дает возможность постановки задач
региональной и глобальной реконструкции распределения электронной
плотности в ионосфере. Сравнительно небольшая угловая скорость движения
спутников
GPS/ГЛОНАСС
делает
принципиально
необходимым
учет
временной изменчивости ионосферы, что неизбежно приводит к постановке
задачи четырехмерной (4D) томографии (три пространственные координаты и
время). Основными особенностями 4D задачи являются высокая размерность и
существенная неполнота данных. В отличие от двумерной НОРТ здесь
необходима дополнительная процедура интерполяции найденных решений в
области
отсутствия
распределения
данных.
электронной
ВОРТ
позволяет
концентрации
(3D
реконструировать
реконструкции
4D
каждые
30-60 мин). Это дает возможность реконструировать 3D распределения
электронной плотности, восстанавливать структуру крупных неоднородностей.
Однако пространственная разрешающая способность ВОРТ заметно ниже, чем
в случае НОРТ, также как и качество реконструкций волновых и
квазиволновых структур. НОРТ и ВОРТ хорошо дополняют друг друга для
целей мониторинга ионосферы [6, 10].
Уже сейчас сигналы достаточно большого количества спутников GPS и
ГЛОНАСС доступны непрерывно в любой точке Земли, а с развертыванием
системы Galileo это число еще увеличится. Информация с сети приемных
станций,
принимающих
сигналы
GPS/ГЛОНАСС,
предоставляется
в
специальном формате и находится в свободном доступе в сети Интернет.
Плотность существующей сети станций достаточно велика и позволяет
осуществлять глобальный мониторинг ионосферы Земли, при этом временное
7
разрешение GPS данных, достаточно даже для исследований изменений
электронной концентрации, вызванных быстрыми процессами, протекающими
на Солнце во время вспышек. Системы GPS/ГЛОНАСС также дают
возможность получать дополнительную информацию о состоянии атмосферы
по данным спутникового приема их навигационных сигналов. Такие методики
активно развиваются в настоящее время.
В апреле 2006 г. была введена в действие новая спутниковая система
FormoSat3/COSMIC (Taiwan’s Formosa Satellite Mission #3 and Constellation
Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate), состоящая из 6
низкоорбитальных спутников с высотой орбиты порядка 800км. Спутники
системы FormoSat-3/COSMIC имеют на борту трехчастотные передатчики для
низкоорбитальной радиотомографии и принимают сигналы системы GPS.
Одним из методов, основанных на спутниковом приеме сигналов этих систем,
является
радиозатменный
или
рефрактометрический
метод,
дающий
дополнительные данные на семействе квазикасательных лучей (на трассах
спутник-спутник),
является
частным случаем
томографического
метода.
Комбинация НОРТ, ВОРТ и квазикасательного зондирования позволит
реализовать эффективный 4D региональный и глобальный мониторинг
ионосферы [6, 10].
3 Краткое описание КЭ
Использование метода радиотомографиии (РТ) на базе низкоорбитальных
спутников с сетью наземных приемников позволяет получать качественные РТ
реконструкции – двумерные сечения электронной концентрации [1-6]).
Применение данного метода позволило получить много новых геофизических
данных, причем сопоставление с другими методами (например, с данными
ионозондов и радаров некогерентного рассеяния [3-5]) показало высокое
качество РТ реконструкций. Однако в традиционном РТ эксперименте
семейство лучей, соединяющих передатчик на низкоорбитальном спутнике и
приемники
на
Земле,
практически
отсутствуют
лучи,
идущие
вдоль
ионосферных слоев. Поэтому наряду с хорошим горизонтальным разрешением,
8
РТ метод имеет недостаточное вертикальное разрешение, т.е. существенно
хуже восстанавливает тонкие по высоте и значительно вытянутые параллельно
земной поверхности структуры.
Радиозатменный (РЗ) подход предполагает измерения радиовосходов и
радиозаходов
GPS/ГЛОНАСС
низкоорбитальном
спутнике,
источника
приемником, находящемся
например,
на
МКС.
В
на
предположении
квазисферической симметрии РЗ метод позволяет получать профили показателя
преломления
околоземной
среды
и
определять
профили
электронной
концентрации и профили температуры в атмосфере. Восстановление профилей
при наличии горизонтальных градиентов и локальных неоднородностей
приводит к значительным искажениям и погрешностям [3, 5]. Поскольку в РЗ
подходе мы имеем дело с семейством квазипараллельных лучей, то обладая
хорошим
высотным
разрешением
этот
метод
имеет
весьма
низкое
горизонтальное разрешение и не применим для восстановление ионосферных
структур протяженностью менее 2000-3000 км.
В
связи
с
этим
совместное
применение
методов
РТ
и
РЗ
радиозондирования представляется весьма перспективным.
На рисунке 5 показана схема КЭ, в котором наряду с наземным приемом
радиосигналов от низкоорбитального спутника (МКС), осуществляется прием
сигналов на МКС от высокоорбитальных спутников GPS/ГЛОНАСС. Тем
самым, к традиционной схеме лучевой РТ с сетью наземных приемников
добавляются данные по квазикасательным лучам.
Цель
предлагаемого
радиотомографического
и
КЭ
в
комбинированном
радиозатменного
методов
для
применении
исследования
ионосферы. Предлагаемое комбинированное применение РТ с наземной и
спутниковой регистрацией радиосигналов позволяет улучшить вертикальное
разрешение
классического
РТ
подхода
и
восстанавливать
сложные
распределения электронной концентрации в F и Е областях ионосферы.
Для реализации КЭ необходимо разработать и создать бортовой
передатчик
радиосигналов
150-400-1067 МГц
и
бортовой
приемник
9
радиосигналов
GPS/ГЛОНАСС.
Необходимо
разработать
также
соответствующее программное обеспечение для предобработки принимаемых
радиосигналов и для обработки комбинированных РТ и РЗ данных. Для
проведения РТ экспериментов предполагается использовать существующую
российскую РТ систему, расположенную по линии Шпицберген – Мурманск –
Москва – Сочи. Планируется модернизация российской РТ системы и
приобретение трехчастотных приемников, соответствующих трехчастотному
передатчику на МКС. Предполагается использование для наземного приема и
других существующих систем, в частности, РТ систем на Аляске и в Юговосточной Азии [5].
GPS/ГЛОНАСС
Область
реконструкции
Спутники
GPS/ГЛОНАСС
МКС
наземные
приемники
Рисунок 5 – Схема КЭ по комбинированному радиотомографическому и
радиозатменному зондированию ионосферы
КЭ по радиотомографическому и радиозатменному зондированию
ионосферы позволит детально исследовать структуру и динамику ионосферы.
Результаты
КЭ
представляют
интерес
для
многих
геофизических
и
радиофизических задач. Предполагается детальное исследование ряда сложных
ионосферных образований: экваториальная аномалия, провалы ионизации,
перемещающиеся ионосферные возмущения, различные «пятна» ионизации
(patches
and
blobs),
«пузыри»
(bubbles),
квазиволновые
структуры.
10
Исследование структуры и динамики таких образований представляет большой
практический интерес, как с точки зрения геофизики (процессы в околоземной
плазме и космическая погода), так и радиофизики (влияние подобных
возмущений
на
распространение
радиоволн).
Планируется
детальное
исследование структуры и динамики ионосферных возмущений, вызванных
антропогенными факторами, в частности: стартами ракет, взрывами, нагревом
ионосферы мощными радиоволнами [3, 5].
4 Описание аппаратуры
Для выполнения задач эксперимента планируется разработать аппаратуру
в следующем составе:
–
блоки
навигационных
двухканальные
приемники
1217 – 1265
1565 – 1615 МГц),
и
приемников
радиосигналов
с
позволяющие
представляют
антеннами
выполнять
собой
L-диапазона
измерения
радиовосходов и радиозаходов GPS/ГЛОНАСС источников и измерения
радиосигналов GPS/ГЛОНАСС источников, находящихся в верхней и нижней
полусферах (направления зенит, по вектору скорости и против вектора
скорости);
–
блоки передатчиков (БПР-1 и БПР-2), представляющие собой
трехканальные передатчики радиосигналов с тремя активными антенными 150,
400 и 1067 МГц в виде скрещенных полуволновых вибраторов, сигнал от
которых принимается приемниками российской РТ-системы;
–
блоки сбора данных (БСД-1 и БСД-2) со специальным программным
обеспечением и сменным носителем для накопления и хранения полученной в
ходе эксперимента научной информации и связи со служебными системами
МКС.
5 Ожидаемые результаты КЭ
В результате проведения предлагаемого КЭ и обработки полученного
экспериментального материала впервые комбинированным РТ и РЗ методом
будут получены следующие результаты:
11
–
данные
о
структуре
сложных
естественных
ионосферных
образований: экваториальная аномалия, провалы ионизации, перемещающиеся
ионосферные возмущения, различные «пятна» ионизации (patches and blobs),
«пузыри» (bubbles), квазиволновые структуры;
–
результаты
ионосферных
исследования
образований
на
влияния
процессы
сложных
естественных
в
околоземной
плазме
и
ионосферных
возмущений,
вызванных
распространение радиоволн;
–
данные
о
структуре
корпускулярной ионизацией частицами солнечного ветра и вспышками на
Солнце в период максимума солнечной активности;
–
результаты исследования передачи возмущений в системе Солнце –
солнечный ветер – магнитосфера – ионосфера в период рост – максимум – спад
солнечной активности;
–
данные
о
структуре
и
динамике
ионосферных
возмущений,
вызванных антропогенными факторами (старты ракет, промышленные взрывы,
нагрев ионосферы стендом «Сура»).
6 Перспективы практического использования результатов КЭ
Результаты КЭ представляют интерес для многих геофизических и
радиофизических задач. Предполагается детальное исследование ряда сложных
ионосферных образований: экваториальная аномалия, провалы ионизации,
перемещающиеся ионосферные возмущения, различные «пятна» ионизации
(patches
and
blobs),
«пузыри»
(bubbles),
квазиволновые
структуры.
Исследование структуры и динамики таких образований представляет большой
практический интерес, как с точки зрения геофизики (процессы в околоземной
плазме и космическая погода), так и радиофизики (влияние подобных
возмущений
на
распространение
радиоволн).
Планируется
детальное
исследование структуры и динамики ионосферных возмущений, вызванных
антропогенными факторами, в частности: стартами ракет, промышленными
взрывами, нагревом ионосферы мощными радиоволнами.
В последние годы стали актуальными исследования космической погоды.
12
Проведенные исследования показали сильное влияние космической погоды на
состояние техносферы (аварии электрических сетей, трубопроводов, спутников
и т.д.) и биосферы (радиационная обстановка, воздействие магнитных и
электрических полей), что определяет практическую значимость изучения
космической погоды. Следует отметить, что исследования космической погоды
сейчас находятся на стадии интенсивного развития и существует большое
число малоисследованных и непонятных явлений. На начальной стадии
находятся исследования влияния космической погоды на экологию атмосферы
и состояние здоровья населения.
Для понимания, описания и предсказания явлений космической погоды
необходимо исследование, передачи возмущений в системе Солнце –
солнечный ветер – магнитосфера – ионосфера. КЭ по радиотомографическому
и радиозатменному зондированию ионосферы позволит детально исследовать
такую передачу возмущений. В частности, исследовать воздействие высыпаний
частиц солнечного ветра на ионизацию ионосферы, воздействие солнечных
вспышек на ионосферу. КЭ даст возможность изучать передачу возмущений в
ионосфере от полярных областей к экваториальным и т.д.
Список литературы
1. Куницын В.Е., Терещенко Е.Д. Томография ионосферы. М.: Наука,
1991. 176 С.
2. Leitinger R. Ionospheric Tomography // Rev. Radio Sci. 1999. P.581-623.
3. Kunitsyn V.E.and Tereshchenko E.D. Ionospheric Tomography. SpringerVerlag. 2003. 259 pages.
4. Pryse S.E. Radio tomography: A new experimental technique // Surveys in
Geophysics.2003.V.24. P.1-38.
5. Куницын В.Е., Терещенко Е.Д., Андреева Е.С. Радиотомография
ионосферы. М.: Наука. 2007. 336с.
6. Bust G.S., Mitchell C.N. History, current state and future directions of
ionospheric
imaging
//
doi:10.1029/2006RG000212.
Rev.
Geophys.
2008,
46.
RG1003,
13
7. Андреева Е.С., Куницын В.Е., Терещенко Е.Д. и др. Томографическая
реконструкция провала ионизации околоземной плазмы // Письма в ЖЭТФ.
1990. Т.52, C.145-148.
8. Kunitsyn V.E., Andreeva E.S., Franke S.J., Yeh K.C. Tomographic
investigations of temporal variations of the ionospheric electron density and the
implied
fluxes
//
Geophysical
Research
Letters.
2003.
V.30(16),
1851,
doi:10.1029/2003GL016908, P.1851-1855.
9. Foster J.C., Kunitsyn V.E., Tereshchenko E.D., et al. Russian-American
Tomography Experiment // Int. Journal of Imaging Systems and Technology. 1994.
V.5(2), P.148-159.
10. Куницын В.Е., Терещенко Е.Д., Андреева Е.С., И.А.Нестеров.
Спутниковое радиозондирование и радиотомография ионосферы // Успехи
физических наук. 2010. Т.180, №5, С. 548-553.
Научный руководитель КЭ, д.ф.-м.н.,
профессор
_____________ Д.С. Лукин
«___»______ 2010 г.
Зав. кафедрой «Физика атмосферы»
физического факультета МГУ,
д.ф.-м.н., профессор
_____________ В.Е. Куницын