Спутниковое радиозондирование ионосферы

ВНЕШНЕЕ РАДИОЗОНДИРОВАНИЕ ИОНОСФЕРЫ
Представление о структуре и свойствах земной плазмы выше максимума ионосферы (внешняя
ионосфера) до первого ИСЗ с ионозондом на борту было поверхностным и зачастую неверным.
Например, существовало мнение о наличии еще одного ионосферного слоя выше слоя F2. Установка ионозонда на ИСЗ с круговой орбитой на высоте около 1000 км дала возможность проводить радиозондирование внешней ионосферы, т.е. получать информацию о структуре и процессах
на высотах между ИСЗ и максимумом ионосферы. Если орбита находится выше максимума слоя
F2, то метод носит название внешнее зондирование (topside sounding). Впервые такой ионозонд
был установлен на ИСЗ «Алуэтт-1» (США – Канада) в 1962 г [1]. Время его существования в активном режиме составило 7 лет. Отметим, что этот спутник с ионозондом на борту начал работу
всего через 5 лет после начала космической эры. Это обстоятельство подчеркивает особую важность методов радиозондирования ионосферы.
Впоследствии была запущена целая серия космических ионозондов. В таблице 1 приведены
основные параметры орбит ИСЗ и даты их запуска.
Таблица 1 – Параметры орбит ИСЗ
Alouette-1
Перигей
(км)
1031
Alouette-2
ISIS-I
Название ИСЗ
996
Наклонение
(градусы)
80.5
2982
508
79.8
28.11.1965
3523
574
88.4
30.01.1969
Апогей (км)
Дата запуска
29.09.1962
ISIS-B
1700, круговая
75
01.04.1971
Explorer XX
800, круговая
полярная
25.08.1964
ISS-b
1220
972
70
24.04.1978
Интеркосмос-19
600
1000
74
27.01.1979
Космос-1809
940
980
84
21.12.1986
ПКК "Мир"
370
340
~ 52
март 1996
Интеркосмос-19 (ИК-19), Космос-1809, ПКК "Мир": СССР, Россия.
ISS: Япония.
Все остальные: США и Канада, позже присоединились Великобритания, Франция.
Эти работы принесли огромное количество сведений о морфологии земной ионосферы, позволили оперативно строить планетарные карты основных ионосферных характеристик, которые
являются одним из наиболее существенных моментов контроля и прогноза состояния ионосферы.
Рисунок 1 иллюстрирует основные элементы глобальной структуры ионосферы ориентировочно в
диапазоне высот 100 – 1000 км, т.е. тот диапазон высот, на контроль которого нацелена система
диагностики ионосферы наземными и бортовыми ионозондами. Одновременно были получены
экспериментальные данные, необходимые для рационального конструирования самого бортового
ионозонда, специально предназначенного для контроля и прогноза глобальной ионосферы.
Рис. 1. Вертикальный разрез глобальной ионосферы с условным выделением основных зон [15]. Приведены изолинии плазменных частот (МГц).
При внешнем зондировании вдоль всей траектории полета спутника могут быть получены
следующие параметры: критическая частота и высота максимума слоя F2 (fQF2, hmF2), распределение электронной концентрации выше главного максимума электронной концентрации слоя F2
 N(h)-профиль [2]. Эти параметры распределения электронной концентрации выше hmF2 не могут быть получены при наземном радиозондировании. Соответственно, при внешнем зондировании нельзя получить информацию, которую получают при вертикальном зондировании с Земли. Области F1, E и D, расположенные ниже hmF2, при внешнем зондировании с ИСЗ будут недоступны для тщательного анализа, характерного для радиозондирования и определяются только косвенно в модельном приближении.
Анализ потенциально возможных орбит спутниковых ионозондов, позволяющих использовать методы и внешнего и трансионосферного зондирования, выполненный с учетом полученного
к настоящему моменту опыта, показывает, что следует располагать (в зависимости от необходимой точности контроля) от двух до четырех ИСЗ с ионозондами на полярных орбитах с высотами
ориентировочно от 800 до 1000 км.
Горизонтальная скорость спутника при этом постоянна и составляет 6 – 8 км/с. Следовательно, космический ионозонд с частотой зондирования 50 Гц между каждыми двумя импульсами
проходит путь около 150 м. Таким образом, пространственное разрешение (т.е. расстояние, проходимое спутником между двумя ионограммами) и частотное разрешение (т.е. разница по частоте, а,
следовательно, и по плазменной частоте между двумя последовательными импульсами) являются
конкурирующими характеристиками.
Наличие указанного ограничения вынуждает выбирать компромиссное решение между возможностью детального исследования вертикальной структуры ионосферы по одной ионограмме и
возможностью изучения пространственной структуры ионосферы на основе серии ионограмм.
Так, например, ионозонд на ИСЗ «Эксплорер-ХХ» получал ионограммы через каждые 750 м, но
эти ионограммы содержали только шесть фиксированных частот, в то время как ионозонд ИС-338
(на ИСЗ ИК-19) снимал ионограммы ориентировочно через 60 км, но при съемках каждой ионограммы производилось 338 зондирований. При этом частотный шаг в области плазменных резонансов составлял 25 кГц, а в областях снятия критических частот ионосферы – 50 кГц. Существуют также и другие факторы, имеющие большое значение при контроле и прогнозе состояния гло-
2
бальной ионосферы, например, размещение станций1 получения глобальной информации, и система обработки данных бортовым процессором и объем его памяти, энергетический потенциал
спутника, выделяемый для внешнего зондирования и т.п. Очень существенным элементом при
конструировании системы глобального мониторинга ионосферы на основе использования бортовых ионозондов является расположение орбит зондирующих ионосферу ИСЗ. Здесь надо делать
выбор между полярными орбитами и солнечно-синхронными.
Рис. 2. Модель глобального распределения foF2 (МГц), полученная при использовании двух спутников
с ионозондом на борту, по полуденно-полуночной (I) и восходно-заходной (II) орбитам.
В настоящее время подготавливается запуск серии бортовых ионозондов из 4-х аппаратов для
глобального оперативного мониторинга ионосферы [3, 4] . Какие спутники выбрать – полярные
или солнечно-синхронные? Удобства солнечно-синхронных орбит неоспоримы в смысле организации циклических работ персонала, который непосредственно ежедневно работает на приеме информации со спутников. Это является следствием того, что эти спутники всегда появляются над
одним и тем же местом в одно и то же время. Конечно, для организации работ это более удобно.
Но, с другой стороны, построение глобальной карты состояния ионосферы будет ограничено тем,
что измерения будут произведены только внутри ограниченных секторов местного времени. Так
С.А. Пулинец отмечает: «что понимается под глобальностью. Имеется в виду, что за определенный промежуток времени (а не одномоментно) спутник пролетит над всеми регионами земного
шара, что позволит получить глобальную карту распределения электронной концентрации в максимуме слоя F и другие параметры ионосферы. Каков этот промежуток времени, и каково пространственное разрешение спутниковых измерений? Один виток вокруг Земли спутник делает
примерно за 100 минут, производя зондирование каждые 10 секунд. Таким образом, вдоль орбиты
разрешение будет составлять 70 км. Однако за 100 минут Земля повернется на 25 градусов, так что
на экваторе следующий виток будет разделять от предыдущего расстояние порядка 2500 км, а для
того, чтобы «пройти» весь долготный диапазон, спутнику потребуется 14,4 витков. Таким образом, о глобальной карте можно говорить только по истечении суток, да и то с разрешением 25 градусов по долготе. Принимая во внимание восходящую и нисходящую части витка, можно будет
построить две глобальные карты для двух фиксированных значений местного времени».
Проект «Ионосфера» предполагает в первый год запуск одной ракетой одновременно двух
спутников с их последующим разделением на 180 градусов по широте, что позволит улучшить
долготное разрешение в два раза, т.е. до 1250 км на экваторе. В зависимости от конфигурации орбиты, долгота ее восходящего узла может дрейфовать, что позволит «перекрыть» все долготы с
высоким разрешением, но для этого потребуются уже месяцы непрерывных измерений.
1
В высоких широтах для получения глобального обзора достаточно одной станции.
3
Рис. 3. Расположение орбит спутников «Ионосфера» по секторам местного времени
В результате выполнения полной программы, т.е. после запуска второй ракеты с двумя спутниками и тем же маневром их разделения, на орбите окажутся 4 спутника (по 2 на одной и той же
орбите, но с разницей по фазе 180 градусов). При этом будут «перекрыты» только 4 сектора местного времени 3 ночи и 3 пополудни, и 9 утра и 9 вечера. На рис. 3 показан некоторый обобщенный
f-график. По оси ординат указано местное время (LT, hr) в часах. Это означает, что измерения на
всём земном шаре будут проводиться только в указанные часы местного времени. Все остальные
сектора будут недоступны для системы, и суточный ход поведения ионосферы придется восстанавливать путем моделирования.
Существуют также и другие факторы, имеющие большое значение при контроле и прогнозе
состояния глобальной ионосферы, например, размещение станций2 получения глобальной информации, и система обработки данных бортовым процессором и объем его памяти, энергетический
потенциал спутника, выделяемый для внешнего зондирования и т.п.
При построении глобальной картины состояния ионосферы на высотах 100–1000 км по данным системы спутникового контроля целесообразно выделить три основные зоны: экваториальную, среднеширотную и полярную. На рисунке 1 представлена глобальная ионосфера с ее основными морфологическими особенностями, определяемыми на основе системного радиозондирования с одним ионозондом на полуденно-полуночной орбите. Орбита спутника при этом остается
приблизительно постоянной относительно глобальных морфологических особенностей ионосферы. Рисунок 2 иллюстрирует рациональный способ контроля состояния ионосферы с помощью
двух одновременно функционирующих спутников. При этом один находится на полуденнополуночной орбите, а второй на восходно-заходной. Ионосферные неоднородности размером ориентировочно от 3 – 5 км до нескольких сотен километров могут фиксироваться как нехарактерные
для спокойного состояния детали одной ионограммы или трансионограммы либо их серии при
рутинном анализе данных. Мелкомасштабные особенности (тонкая структура) ионосферы могут
изучаться при получении так называемых «ионограмм многих параметров», характерных для цифровых ионозондов.
Схема ионограммы внешнего зондирования ионосферы с указанием обыкновенного отраженного луча (о), двух необыкновенных лучей (х и z), а также указанием характерных для данного
диапазона длин волн плазменных резонансов и частот отсечки приведена на рис. 4.
2
В высоких широтах для получения глобального обзора достаточно одной станции.
4
Рис. 4. На схеме показаны частоты отсечки волн – обыкновенной (fOS), быстрой необыкновенной (fXS),
медленной необыкновенной (fZS); резонансы: гирочастотный (циклотронный) – fH и его гармоники, а также
верхний гибридный резонанс – fT. Указаны также условия отражения радиоволн: обыкновенной (х = 1) и
необыкновенной (х = 1-у2), показаны следы отражений о-, х- и z- волн.
В таблице 2 приведены параметры ионозондов, установленных на различных спутниках.
Таблица 2
Название ИСЗ
Диапазон частот (МГц)
Мощность
передатчика
(Вт)
100
Длительность импульса,
(мкс)
Частота повторения импульсов (Гц)
Скорость изменения частоты
(МГц/c)
100
62
1
Alouette-1
1 – 12
Alouette-2
0.2 – 13.5
0.1 – 10\20
0.25; 0.48; 1;
1.95; 4.0;
9.303
300
100
30
0.12 и 1
400
98
30
0.31 – 1
перемен
0.1 – 10\20
400
87
45 Гц
0.25 – 1
перемен
100
время приема
15 мсек на 1
частоте
ISIS-I
ISIS-B
Explorer XX
ISS-b
Интеркосмос-19
(ИК-19)
Космос 1809
ПКК «Мир»
Модуль «Природа»
1.5; 2; 2.8;
3.7; 5.5; 7.22
~ 100
0.5 – 14.8,
шаг 0.1
1 или 2
0.3 – 15.95
~ 200
133
58.6
2.5
0.3 – 15.95
~ 200
133
58.6
2.5
3 – 15.95
 350
133
58.6
2.5
В таблице 3 приводятся более детальные параметры основной научной аппаратуры отечественных спутников ИК-19 и «Космос-1809» - системы моноимпульсного (т.е. на каждой частоте
5
используется только один импульс) зондирования ионосферы ИС-388, в частности, ее основного
компонента – бортовой ионосферной станции ИОН-1, предназначенной для вертикального зондирования ионосферы.
Таблица 3
Название
Величина
1
диапазон зондирующих частот
2
количество рабочих частот
3
шаг дискретности частот
4
ширина полосы приемника
5
длительность импульсов передатчика
133 мкс
6
58,6 Гц
8
частота повторения
число импульсов на каждой из дискретных частот
длительность сеанса зондирования
9
импульсная мощность передатчика
10
чувствительность приемника
11
амплитудная характеристика приемника
12
питание станции
13
потребляемая мощность
14
масса станции
15
объем
16
габариты
7
0,3 – 15,95 МГц
338 дискретных частот с кварцевой стабилизацией
25 кГц в диапазоне 0,3 – 1,5 МГц и 50 кГц в
диапазоне 1,5 – 15,95 МГц
по уровню 0,7 около 12 кГц
1 импульс
около 6 секунд
не менее 140 Вт
около 10 мкВ при соотношении сигнал-шум,
равным 3, с возможностью снижения чувствительности на 20 дБ по внешней команде
приблизительно логарифмическая, с динамическим диапазоном более 60 дБ
от сети постоянного тока с напряжением от 24
до 34 В
не более 54 Вт во время сеанса зондирования
и не более 0,2 Вт между сеансами
17,2 кг
18 литров
352 х 316 х 180 мм
В 2015 г. планируется запуск первой пары спутников «Ионосфера» с ионозондами на борту на
солнечно-синхронную орбиту высотой 650 км. В следующем году группировка ионозондов будет
дополнена второй парой бортовых ионозондов, повернутой относительно первой на 180 градусов.
Ионозонд изготавливается по классической схеме моноимпульсного радара с перестройкой частоты, но на современной элементной базе. Он может работать в различных режимах. Основной режим – непрерывное зондирование в диапазоне частот 0.1 – 20 МГц. Планируется также его работа
в режиме прямого и обратного трансионосферного зондирования, а также работа на фиксированных частотах, работа в режиме ВЧ радиоспектрометра и др. Помимо высоких функциональных
параметров прибора к его достоинствам следует отнести малую массу (менее 7 кг) и потребление
(порядка 30 Вт). Общий вид электронных блоков бортового ионозонда представлен на рис. 5.
6
Рис. 5. Общий вид электронных блоков бортового ионозонда КА «Ионосфера»
Еще одним новшеством при разработке бортового ионозонда «ЛАЭРТ» явилось применение
телескопических углепластиковых антенн. Общий вид спутника «Ионосфера» с системой развернутых антенн представлен на рис. 6.
Рис. 6. Общий вид спутника «Ионосфера»
Впервые на отечественных бортовых ионозондах будет использовано поляризационное разделение принимаемых сигналов, а также измерение угла прихода радиоволн.
АНАЛИЗ ИОНОГРАММ ВНЕШНЕГО ЗОНДИРОВАНИЯ
Ионограммы, получаемые при внешнем и трансионосферном зондировании ионосферы, имеют следующие отличия от ионограмм, получаемых при наземном зондировании:
- следы отраженных сигналов начинаются вблизи высоты расположения бортового передатчика;
- дополнительно к привычным следам обыкновенной и необыкновенной волн на ионограммах
часто наблюдается след необыкновенной Z-волны;
- на некоторых частотах наблюдаются устойчивые сигналы, возбужденные широкополосным
излучением передатчика в непосредственной близости от спутника и называемые плазменными
резонансами; их частоты определяются параметрами плазмы в окрестности спутника;
- за критическими частотами, определяющими электронную концентрацию в максимуме
ионосферы, наблюдаются следы отражения от Земли или от спорадического слоя ЕS и Земли.
В ионограммы внешнего зондирования, целесообразно добавлять следы обратного трансионосферного зондирования. Эти следы, как и отражение от Земли, характеризуют не только внеш-
7
нюю ионосферу, но и внутреннюю, параметры которой могут быть получены в результате специальной обработки.
С точки зрения системы контроля состояния ионосферы целесообразно выделить три контролируемые с помощью спутникового радиозондирования зоны: а) пространство вблизи спутника, б)
область внешней ионосферы, включая высоту и максимум концентрации слоя F2 и в) область
внутренней ионосферы. При этом наблюдается естественная закономерность: диагностирующие
возможности ионозонда ослабляются с удалением от спутника исследуемого пространства.
Область вблизи спутника характеризуется прежде всего частотами отсечки (см. рис. 4) – т.е.
минимальными частотами, на которых могут распространяться радиоволны определенного типа в
плазме – fZS, fOS, fXS, где S указывает на то, что измерение сделано на высоте спутника. Частоты
отсечки связаны с плазменной частотой на высоте спутника fp следующими соотношениями:
f p  fO S ,
О-волна
X-волна
f p2  f X2 S  f H S  f X S ,
Z-волна
f p2  f Z2 S  f H S  f Z S .
В области плазменных резонансов устойчивые сигналы на ионограмме наблюдаются на следующих частотах:
на плазменной частоте на высоте спутника fp;
на гирочастоте или циклотронной частоте на высоте спутника f H S  eH mc ;
на циклотронных гармониках на высоте спутника n1 f H S , где n1 = 2, 3, 4;
на верхней гибридной частоте на высоте спутника fT  f p2  f H2 S ;
на второй гармонике верхней гибридной частоты на высоте спутника 2fT.
Кроме этих основных пиков часто наблюдаются дополнительные пики, характеризующие
распространение электростатической волны, или резонансные явления пикообразного вида: диффузные пики, плавающие пики, пики, относящиеся к сумме или разности частот основных резонансных пиков, пик удаленного резонанса, характеризующий гирочастоту на истинной высоте его
возникновения и т.д.
Отметим, что в этой области ионозонд излучает волны, распространяющиеся в электронном
газе медленно. Эти волны подобны звуковой волне с продольным распространением сжатия и
расширения. Они распространяются от спутника на небольшое расстояние, отражаются и возвращаются к нему, создавая следы отражений.
Вторая зона, контролируемая внешним зондированием, начинается, как и первая, вблизи
спутника и заканчивается на высоте максимума электронной концентрации. Основным инструментом здесь является пересчет ho' - и h'x – следов на ионограмме в N(h)-профили внешней ионосферы, который во многом аналогичен расчетам по данным наземных ионограмм. С одной стороны, способы пересчета внешних ионограмм в отличие от наземных лишены трудности учета параметров ионизации в долине и ниже h(fmin). С другой стороны, при расчете N(h)-профилей во внешней ионосфере возникают проблемы, обусловленные необходимостью учитывать изменение гирочастоты как функции высоты, возможностью невертикального распространения радиоволн и
большими, чем для наземного зондирования, боковыми отклонениями лучей в плоскости магнитного меридиана. Главным источником ошибок является предположение, что радиоволны распространяются вниз от спутника вертикально. Поэтому предприняты специальные усилия, направленные на создание бортовых ионозондов, способных отличать невертикальное распространение
от вертикального.
Третья зона – зона определения параметров внутренней ионосферы по данным спутникового
зондирования – может быть разбита на две подзоны. В первой из них fоF2 и hmaxF2 могут быть
найдены после расчета N(h)-профиля по ионограммам внешнего зондирования, во второй некоторый модельный профиль внутренней ионосферы может быть определен по отражениям от Земли
(рис. 7).
Наиболее характерной чертой современных ионозондов должна быть возможность получения
информации в режиме системного радиозондирования. Это означает, что, кроме ВЗ и НЗ, наземная ионосферная станция должна регистрировать ионограммы ВнЗ и ТИЗ (или ОТИЗ) с борта КА.
При этих условиях ионосферная станция значительно расширяет зону, в которой она контролиру-
8
ет состояние ионосферы. Кроме информации ВЗ, она теперь получает информацию об обширной
области вдоль трассы ИСЗ из ионограмм ВнЗ.
При точности современных ионозондов
(около 15 км по действующей глубине и
0,1 МГц по частоте) это позволяет получить
N(h)-профиль внешней ионосферы, в том числе
NmaxF (электронная плотность в максимуме Fслоя) и hmaxF (высота максимума F-слоя), а также по h'(f)-кривым отражения от Земли оценить
один параметр внутренней ионосферы, например, полутолщину слоя в параболической аппроксимации. Получаемые здесь же трансионограммы дополнительно дают сведения о состоянии ионосферы вдоль второй полосы определения параметров внутренней ионосферы. Последние сведения в основном относятся к крупномасштабным и мелкомасштабным неоднородностям ионосферы. Возможны различные схемы
работы ионосферной станции, оборудованной
аппаратурой системного радиозондирования.
Для того чтобы не прерывать длительные и ценные ряды наблюдений, проводимых многими
ионосферными станциями уже в течение нескольких десятилетий через каждые 15 минут,
можно, например, рекомендовать следующий
режим. При отсутствии ИСЗ с ионозондом в
зоне радиовидимости конкретной наземной
станции она проводит стандартное 15-минутное
(или более частое в специальные дни) зондироРис. 7. Профили N(h) во внутренней и внешвание ионосферы в режимах ВЗ и НЗ.
ней ионосфере, полученные по данным спутникоПри появлении КА в зоне видимости ионового и наземного зондирования 26 марта 1981 года.
сферной
станции его бортовая аппаратура пере1 и 2 – вертикальное зондирование на ст. Ростовводится
в режим, при котором полученные
на-Дону (47,2° с. ш., 33,7° в. д.) в 17 час 46 мин и в
ионограммы ВнЗ здесь же передаются на Землю.
18 час 15 мин LT. 3 – зондирование со спутника
На ионосферной станции из этих сигналов вы«Интеркосмос-19» (47,2° с. ш., 43,0° в. д.) в 17 час
58 мин 58 с LT (выше hmaxF – по данным ВнЗ, ниже
деляются синхронизирующие импульсы, кото– по отраженным от Земли сигналам).
рые управляют работой передатчика ВЗ таким
образом, чтобы его излучение попало в соответствующие временные и частотные «окна» приемной аппаратуры бортового ионозонда.
В этом случае на ионограмме ВнЗ регистрируются сигналы ОТИЗ, которые вместе с ионограммой ВнЗ поступают для обработки на ионосферную станцию. Таким образом, на ионосферной
станции одновременно должны регистрироваться ионограммы ВЗ, НЗ, ВнЗ и ОТИЗ. В случае если
изучение передатчика ВЗ не следует использовать по каким-либо техническим (или иным) причинам для получения трансионограмм, ряд системного радиозондирования состоит из ВЗ, НЗ, ВнЗ и
ТИЗ, где последний получается на основе использования уже не передающих, а приемных цепей
ионозонда.
Центральной проблемой при написании алгоритма обработки ионограмм является необходимость создания полностью автоматической системы, работающей в реальном масштабе времени и
непрерывно выполняющей планетарное картирование. Успех в автоматизации этого процесса зависит от следующих факторов: качества полученных поляризационных ионограмм, безошибочного выбора сигнала на фоне помех, возможно более точного определения ho' - и h'x – следов в особо
критичных местах (зона критических частот и зона плазменных резонансов). В отсутствии аппаратуры и алгоритмов обработки для автоматического считывания ионограмм наиболее разумным
представляется использование интерактивного режима, при котором оператор вводит ho' - и h'x следы в ЭВМ, используя подходящие устройства для быстрого ввода информации. После введения
действующих глубин либо в автоматическом, либо в интерактивном режиме собственно расчет
9
N(h)-профиля внешней ионосферы отличается от расчета N(h)-профиля внутренней ионосферы
только наличием подпрограммы, определяющей параметры геомагнитного поля и отсутствием
сложностей, связанных с областями «ненаблюдаемой ионизации». Пример определения N(h)профилей внешней ионосферы и их стыковки с профилями наземного зондирования приведен на
рис. 7. Иногда встречающееся в литературе замечание о «наложении» друг на друга (отсутствие
стыковки) профилей внешней и внутренней ионосферы является результатом недоразумения и
объясняется либо невертикальным распространением (т.е. наличием крупномасштабных неоднородностей), либо зондированием фактически разных областей ионосферы3 в условиях локальных
горизонтальных градиентов.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ИОНОСФЕРНОГО
РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ В ДРУГИХ БОРТОВЫХ ПРИБОРАХ
И ЭКСПЕРИМЕНТАХ
Основные принципы создания современных наземных цифровых ионозондов естественным
образом перенесены на конструирование бортовых устройств. Более того, не только принципы, но
зачастую и элементы конструкции, разумеется, с учетом их космического базирования остались
прежними.
Так дигизонд 128PS был переработан Университетом в Лоуэлле в блок небольшой мощности
128S, пригодный для использования в космосе [5]. Ионозонд 128S позволяет одновременно измерять амплитуду, фазу, доплеровский эффект, дальность отражения и поляризацию волны. Бортовое использование прямого дискретного Фурье-преобразования для усиления отношения сигнал/шум, устранения помех и определения природы сигналов, используемые в этом приборе, позволяют применять его не только в качестве ионозонда внешнего зондирования для целей контроля
параметров ионосферы и последующего автоматического картирования планетарной ионосферы,
но и в иных целях, например, при зондировании неглубоких подповерхностных структур.
Так, перспективным считается использование прибора на борту обитаемых космических лабораторий (КЛА) «Спейс Шаттл», где оператор может управлять режимом работы прибора в процессе научных исследований. При наличии синхронизированного датчика на Земле, цифровой
зонд 128S на борту спутника может работать в режиме трансионосферного зондирования. Его создатели подчеркивают, что, будучи установленным на ИСЗ с низкой орбитой (100–400 км), он может принимать сигналы от радиоволн, расположенных в естественных радиоканалах. Эти каналы,
которые находятся в ионосфере вблизи областей уменьшения ионизации (например, в долине, или
на высотах минимума частоты соударений), необходимы для изучения условий и механизмов распространения радиоволн на большие расстояния.
Наиболее характерной чертой ионозонда 128S является использование комплексного спектрального анализа в процессе получения ионограмм. Это позволяет значительно усилить сигнал
при когерентном приеме даже в случае быстрого движения антенны, характерного для внешнего и
трансионосферного зондирования. Для ограничения потока данных используется бортовой процессор, в котором имеется схема сравнения сигналов, выбирающая среди всех сигналов самый
большой отдельно для каждого дискрета дальности.
Быстрый анализ спектра делает возможным когерентное детектирование всех приходящих
отраженных сигналов, а также разделение и определение углов прихода сигналов для всех выбранных интервалов дальностей. Режим максимальной амплитуды используется для получения
многопараметрических цифровых ионограмм. Для каждого из имеющихся 38 дискретов дальности
определяется максимальная из измеренных амплитуд для трех соседних дискретов или интервалов
задержки, восемь доплеровских частот и две поляризации. Такая многопараметрическая система
делает возможным одновременное измерение и запись до 16 различных ионограмм (восемь доплеровских частот и две поляризации) без увеличения хранимой информации для одной из 38 дальностей на каждой рабочей частоте. Не понятно
Другой типичный бортовой ионозонд (блок 5Д2) разработан для использования в многоцелевых ИСЗ, применяемых в американской программе военных метеорологических спутников. Для
уменьшения влияния ионозонда на системы спутника приняты следующие ограничения: максиНапомним, что О- и Х-компоненты для внешнего и внутреннего зондирования отклоняются в плоскости
магнитного меридиана в разные стороны, так что ионозонды на борту ИСЗ и на Земле, находящиеся на
одном радиус-векторе, исходящем из центра Земли, зондируют разные области .ионосферы
3
10
мальная мощность излучения 30 Вт (по сравнению с 300 Вт на «Алуэтте-1» или ИК-19), максимальная длина антенной штанги 17 м, максимальная скорость передачи данных 3168 бит/с
(~3,17 кГц). Эти ограничения вместе с требованием снятия ионограммы за достаточно малые интервалы времени для точного определения параметров ионосферы требуют использования в ионозонде сложного зондирующего сигнала. В таком сигнале на каждой частоте посылается
27 импульсов, каждый из которых состоит из четырех смежных импульсов по 133,3 мкс. Нечетные
частоты используются с частотой повторения 263 Гц, а четные – 200 Гц. Структура «окон дальности» дает возможность наблюдения действующих высот от 125 до 1995 км. Около половины сигналов излучается с правосторонней поляризацией, а остальная половина – с левосторонней.
Особый интерес в этом ионозонде представляет антенная система. Она состоит из четырех
монополей длиной 17 м, образующих два ортогональных согнутых диполя с углом 100°. Такая антенна имеет диаграмму направленности без боковых лепестков и является поляризационной системой в диапазоне 3 – 19 МГц. При излучении четыре монополя соединяются попарно, образуя
два диполя, каждый из которых излучает линейно поляризованную волну, так что в результате
получается волна Х-типа даже вблизи магнитного экватора. Во время приема каждый из монополей используется отдельно, образуя антенную систему с право- и левосторонней круговой поляризацией. Здесь нелишне напомнить, что такая сложная излучающая система, которая должна быть
всегда известным образом ориентирована относительно магнитного экватора, в дальнейшем обеспечивает простоту, а, следовательно, скорость автоматической (без участия человека) обработки
ионограмм и автоматического картирования планетарной ионосферы.
Наконец, отметим, что в Японии изготовлены два бортовых ионозонда внешнего зондирования, которые запущены на ИСЗ «ISS-b» и «Экзос-С». С их помощью осуществлен глобальный
контроль ионосферы, а на «Экзос-С», кроме того, поставлены активные эксперименты в полярной
области, подтвердившие, в частности, ранее полученные на ИСЗ «Интеркосмос-19» выводы о том,
что излучение бортового ионозонда стимулирует высыпание частиц из радиационных поясов и
разогрев ионосферы.
Функции ионозонда внешнего зондирования могут выполнять системы, предназначенные, в
общем, для других целей. Например, доложено о создании системы зондирования ионосферы в
диапазоне 0,3 – 30 МГц, которая в основном предназначена для экспериментов в космической лаборатории «Спейс Шаттл». Она состоит из передатчика и связанных с ним фазово-когерентных
приемников, управляемых микропроцессором. Фактически это система, в которой оператор на
космическом корабле с помощью ЭВМ может «набирать» ту или иную аппаратуру радиозондирования, включая различные виды ионозондов внешнего зондирования и трансзондирования с различными уровнями излучения передатчика, различными частотами и модуляцией. При этом частота и амплитуда могут оставаться постоянными или изменяться плавно и ступенчато. В описываемой системе используются дипольные антенны длиной 300 м, которые при согласовании излучают мощность до 500 Вт. Один из приемников располагается при этом на орбитальной станции,
второй – на отделяемом космическом аппарате. Планируются измерения на удалении до нескольких тысяч километров. При этом собственно идея системного радиозондирования получает дополнительное развитие за счет отделяемого зонда. Фактически осуществляется внешнее радиозондирование (приемник и передатчик вместе на КЛА), трансионосферное радиозондирование (Земля
– КЛА) и просвечивание исследуемой области ионосферы (КЛА – зонд). Диапазон развертки по
частоте, ширина импульса, частота повторений и мощность меняются оператором КЛА. Система
измеряет задержку амплитуду, фазу и доплеровский сдвиг частоты принятых сигналов. Поскольку
на данной частоте доплеровский сдвиг меняется как косинус угла между волновой нормалью и
вектором скорости приемника, он является характеристикой отраженного луча и позволяет разделить отражение лучей, пришедших из разных областей и имеющих одну и ту же задержку.
Очень интересным вариантом бортового ионозонда был американский ионозонд для исследования магнитосферы Земли («Radio Plasma Imager» – RPI, рис. 8). Это радар, работавший в диапазоне частот от 3 кГц до 3 МГц на высотах от 500 км до высот порядка 40000 км. Прибор состоял из
корпуса электроники, четырех 250 метровых проволочных, двух перпендикулярно к ним расположенных десятиметровых аксиальных антенн и одной спиральной антенны. Такое антенное хозяйство позволяло ему работать в 3-D пространстве и определять не только групповую задержку частотные характеристики магнитосферы, но и направление прихода радиоволн относительно продольной оси аппарата. На рисунке 8 показан RPI и его антенны.
Высокая универсальность методов радиозондирования различных плазменных структур
находит себе широкое применение в современных и планируемых разработках космических мис-
11
сий для исследования планет солнечной системы. Например, всё та же знаменитая ионосферная
лаборатория Ловельского университета Бодо Рейниша недавно получила грант НАСА для создания планетарного ионозонда с расширенными функциями. Именно, разрабатывается проект исследования спутников Юпитера с использованием ионозонда-радара. На рисунке 9 приведены основные возможности и задачи такого прибора.
Рис. 8. Бортовой магнитосферный ионозонд «Radio Plasma Imager».
Рис. 9. Задачи и возможности ионозонда для исследования Юпитера и его спутников.
Предполагается, что он будет решать 5 отдельных задач:
 производить подповерхностное зондирование для отыскания подземных (точнее подлунных)
водных бассейнов;
 изучать в 3-D пространстве структуру магнитосферы юпитерианских лун;
12
 получать пространственное распределение плотности электронов в ионосфере спутников
Юпитера;
 производить магнитосферное зондирование вдоль силовых линий магнитного поля;
 производить измерения электрических и магнитных полей пассивными методами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Wright J.W. “Some Current Developments in Radio Systems for Sounding Ionospheric Structure and Motions,” Proc. IEEE, 57, 1969, pp. 481–486.
2. Руководство УРСИ по интерпретации и обработке ионограмм –М: Наука, 1977.
3. Данилкин Н.П. Системное радиозондирование – основа построения службы контроля
состояния ионосферы // Ионосферно-магнитная служба: сборник статей /Под ред. С.И.
Авдюшина, А.Д. Данилова.– Л.: Гидрометеоиздат, 1987.– С. 46 – 78.
4. Данилкин Н.П., Журавлев С.В., Котонаева Н.Г. Радиозондирование ионосферы с искусственных спутников Земли // Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Серия Б. Справочные приложения, базы и банки данных. Т. 1-3. Ионосферная плазма. Часть 2 /отв. ред.
В.Д. Кузнецов, Ю.Я. Ружин. – М.: Янус-К, 2009. – С. 35-44.
5. http://www.ulcar.uml.edu/
13