Cosmic ResearchCosmic ResearchКосмические исследования0023-42063034-5502The Russian Academy of Sciences68954110.31857/S0023420625030094QAKEFUArticlesСтатьиReview ArticleTomographic methods for studying the upper atmosphere and near-Earth space: current state and development prospectsТомографические методы исследования верхней атмосферы и околоземного космического пространства: современное состояние и перспективы развитияPadokhinA. M.ПадохинА. М.
Russian Federation

Lomonosov Moscow State University, Physics Department

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Физический факультет

achernyshov@cosmos.ruChernyshovA. A.ЧернышовА. А.
Russian Federation
achernyshov@cosmos.ruAndreevaE. S.АндрееваЕ. С.
Russian Federation

Physics Department

Физический факультет

achernyshov@cosmos.ruNazarenkoM. O.НазаренкоМ. О.
Russian Federation

Physics Department

Физический факультет

achernyshov@cosmos.ruAndreevskyS. E.АндреевскийС. Е.
Russian Federation
achernyshov@cosmos.ruMogilevskyM. M.МогилевскийМ. М.
Russian Federation
achernyshov@cosmos.ruLomonosov Moscow State UniversityМосковский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваPushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of the Russian Academy of SciencesИнститут земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАНSpace Research Institute of the Russian Academy of SciencesИнститут космических исследований РАН150620256333223461908202519082025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0023-4206/article/view/689541

The review examines the physical and mathematical formulations of the tomography problem in relation to remote sensing of the atmosphere and near-Earth space. Special attention is given to ionospheric sensing using satellite beacon signals from low-orbit (Parus/Transit/Cassiope, etc.), medium-orbit, and high-orbit (GPS/GLONASS and new global satellite navigation systems) satellites. The capabilities and limitations of 2D low-orbit and 4D high-orbit ionospheric radio tomography methods are discussed, along with the results of radiotomographic reconstructions of electron density distribution at various latitudes under both natural and artificial disturbances. A separate focus is placed on studying small-scale ionospheric irregularities based on satellite signal amplitude scintillation data, as well as challenges in implementing such sensing schemes at high latitudes using GPS/GLONASS signals. Besides, the prospects of tomographic systems for upper atmosphere sensing are discussed, considering the significant reduction in the number of low-orbit satellites, the potential installation of satellite beacons on new platforms (CubeSat), and the use of radio tomography methods in ultraviolet tomography of the upper atmosphere. The first results obtained using the dual-frequency (150/400 MHz) coherent signal transmitter MAYAK onboard the satellites of the Russian “Ionosphere” project are presented.

В обзоре рассматриваются физические и математические постановки задачи томографии в приложении к дистанционному зондированию атмосферы и околоземного космического пространства. Особое внимание уделено зондированию ионосферы с использованием сигналов спутниковых радиомаяков на низких (Парус / Transit / Cassiope и др.), средних и высоких (GPS/ ГЛОНАСС и новые глобальные спутниковые навигационные системы) орбитах. Обсуждаются возможности и ограничения методов 2D низкоорбитальной и 4D высокоорбитальной радиотомографии ионосферы и приводятся результаты радиотомографических реконструкций распределения электронной концентрации в различных широтах в условиях естественной и искусственной возмущенности. Отдельно рассматривается задача исследования мелкомасштабных ионосферных неоднородностей по данным о мерцаниях амплитуды спутниковых сигналов, обсуждаются проблемы реализации таких схем зондирования в высоких широтах с использованием сигналов GPS / ГЛОНАСС. Также обсуждаются перспективы томографических систем зондирования верхней атмосферы с учетом сильно сократившейся группировки низкоорбитальных спутников, возможности установки спутниковых радиомаяков на новые платформы (CubeSat), а также использование методов радиотомографии в задачах УФ-томографии верхней атмосферы. Представлены первые результаты, полученные с использованием двухчастотного передатчика когерентных сигналов 150 / 400 МГц МАЯК на спутниках “Ионосфера-М” российского проекта “Ионозонд”.

Зеленый Л.М., Веселовский И.С. Плазменная гелиогеофизика. Москва: Физматлит, 2008.Kelley M.C. The Earth’s Ionosphere: Plasma Physics and Electrodynamics. 2nd ed. San Diego: Academic Press, 2009.Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988.Гуревич В. Нелинейные явления в ионосфере // Успехи физических наук. 2007. Т. 177. № 11. С. 1145–1177.Streltsov A.V., Berthelier J.-J., Chernyshov A.A. et al. Past, Present and Future of Active Radio Frequency Experiments in Space // Space Science Reviews. 2018. V. 214. Iss. 118. P. 1–30. https://doi.org/10.1007/s11214-018-0549-7Молчанов А. Низкочастотные волны и индуцированные излучения в околоземной плазме. Москва: Наука, 1985.Петрукович А.А., Могилевский М.М., Чернышов А.А. и др. Некоторые аспекты магнитосферно-ионосферных связей // Успехи физических наук. 2015. Т. 185. № 6. С. 649–654. https://doi.org/10.3367/UFNe.0185.201506i.0649Альперт Я.Л. Распространение радиоволн и ионосфера. Москва: Изд-во АН СССР, 1960.Казаринов Ю.М. Радиотехнические системы. Москва: Академия, 2008. 592 с.Манаев В.И. Основы радиоэлектроники. Москва: Радио и связь, 1990. 511 с.Альперт Я.Л. Статистический характер структуры ионосферы // Успехи физических наук. 1953. Т. 49. № 1. С. 49–91.Ясюкевич Ю.В., Сыроватский С.В., Падохин А.М. и др. Точность позиционирования GPS в различных режимах при активном воздействии на ионосферу мощным КВ-излучением нагревного стенда СУРА // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2019. Т. 62. № 12. С. 906–919.Astafyeva E., Yasyukevich Y., Maksikov A. et al. Geomagnetic storms, superstorms, and their impacts on GPS-based navigation systems // Space Weather. 2014. V. 12. Iss. 7. P. 508–525. https://doi.org/10.1002/2014SW001072Chernyshov A. A., Miloch W. J., Jin Y. et al. Relationship between TEC jumps and auroral substorm in the high-latitude ionosphere // Scientific Reports. 2020. V. 10. Iss. 6363. https://doi.org/10.1038/s41598-020-63422-9Захаров В.И., Чернышов А.А., Милох В. и др. Влияние ионосферы на параметры навигационных сигналов GPS во время геомагнитной суббури // Геомагнетизм и аэрономия. 2020. Т. 60. № 6. С. 769–782. https://doi.org/10.31857/S0016794020060152Afraimovich E.L., Astafyeva E.I., Demyanov V.V. et al. A review of GPS/GLONASS studies of the ionospheric response to natural and anthropogenic processes and phenomena // J. Space Weather and Space Climate. 2013. V. 3. Iss. A27. https://doi.org/10.1051/swsc/2013049Kotova D.S., Sinevich A.A., Chernyshov A.A. et al. Strong turbulent flow in the subauroral region in the Antarctic can deteriorate satellite-based navigation signals // Scientific Reports. 2025. V. 15. Iss. 3458. https://doi.org/10.1038/s41598-025-86960-6Patil A.S., Nade D.P., Taoti A. et al. A Brief Review of Equatorial Plasma Bubbles // Space Science Reviews. 2023. V. 219. Iss. 16. P. 1–25. https://doi.org/10.1007/s11214-023-00958-yOtsuka Y. Review of the generation mechanisms of post-midnight irregularities in the equatorial and low-latitude ionosphere // Progress in Earth and Planetary Science. 2018. V. 5. Iss. 57. P. 1–15. https://doi.org/10.1186/s40645-018-0212-7Мандельштам Л.И., Папалекси Н.Д. Новейшие исследования распространения радиоволн вдоль земной поверхности. М.: Гостехиздат, 1945.Альперт Я.Л. Распространение электромагнитных волн и ионосфера. Москва: Наука, 1972.Куницын В.Е., Терещенко Е.Д., Андреева Е.С. Радиотомография ионосферы. Москва: Физматлит, 2007.Iyer H., Hirsava K. Seismic Tomography: Theory and Practice. London: Chapman and Hall, 1993.Munk W., Worcester P., Wunsch C. Ocean Acoustic Tomography. Cambridge: Cambridge University Press, 1995.Davies K. Ionospheric Radio. London: Peter Peregrinus Ltd, 1990.Austen J.R., Franke S.J., Liu C.H. Ionospheric imaging using computerized tomography // Radio Science. 1988. V. 23. Iss. 3. P. 299–307.Andreeva E.S., Galinov A.V., Kunitsyn V.E. et al. Radiotomographic reconstruction of ionization dip in the plasma near the Earth // JETP Letters. 1990. V. 52. Iss. 3. P. 145–148.Pryse S.E. Radio Tomography: A New Experimental Technique // Surveys in Geophysics. 2003. V. 24. Iss. 1. P. 1–38.Bust G.S., Mitchell C.N. History, current state, and future directions of ionospheric imaging // Reviews of Geophysics. 2008. V. 46. Iss. RG1003.Yizengaw E., Moldwin M.B., Dyson P.L. et al. First tomographic image of ionospheric outflows // Geophysical Research Letters. 2006. V. 33. Iss. L20102.Prol F., Hoque M., Ferreira A. Plasmasphere and topside ionosphere reconstruction using METOP satellite data during geomagnetic storms // J. Space Weather and Space Climate. 2021. V. 11. Iss. 5.Tereshchenko E.D., Kozlova M.O., Kunitsyn V.E. et al. Statistical tomography of subkilometer irregularities in the high-latitude ionosphere // Radio Science. 2004. V. 39. Iss. RS1S35.Dymond K.F., Budzien S.A., Hei M.A. Ionospheric-thermospheric UV tomography: 1. Image space reconstruction algorithms // Radio Science. 2017. V. 52. P. 338–356.Hei M.A., Budzien S.A., Dymond K.F. et al. Ionospheric-thermospheric UV tomography: 3. A multisensor technique for creating full-orbit reconstructions of atmospheric UV emission // Radio Science. 2017. V. 52. P. 896–916.Nesterov I.A., Kunitsyn V.E. GNSS radio tomography of the ionosphere: The problem with essentially incomplete data // Advances in Space Research. 2011. V. 47. Iss. 10. P. 1789–1803.Mannucci A.J., Wilson B.D., Yuan D.N. et al. A global mapping technique for GPS-derived ionospheric total electron content measurements // Radio Science. 1998. V. 33. Iss. 3. P. 565–582.Fridman S.V., Nickisch L.J., Hausman M. et al. Assimilative model for ionospheric dynamics employing delay, Doppler, and direction of arrival measurements from multiple HF channels // Radio Science. 2016. V. 51. P. 176–183.Kotova D., Ovodenko V., Yasyukevich Y. et al. Efficiency of updating the ionospheric models using total electron content at mid- and sub-auroral latitudes // GPS Solutions. 2020. V. 24. Iss. 25.Foster J.C., Buonsanto M.J., Holt J.M. et al. Russian-American tomography experiment // International Journal of Imaging Systems and Technology. 1994. V. 5. Iss. 2. P. 148–159.Yeh K.C., Franke S.J., Andreeva E.S. et al. An investigation of motions of the equatorial anomaly crest // Geophysical Research Letters. 2001. V. 28. Iss. 24. P. 4517–4520.Kunitsyn V., Andreeva E., Frolov V. et al. Sounding of HF heating induced artificial ionospheric disturbances by navigational satellite radio transmissions // Radio Science. 2012. V. 47. Iss. RS0L15.Андреева Е.С., Гохберг М.Б., Куницын В.Е. и др. Радиотомографическая регистрация возмущений ионосферы от наземных взрывов // Косм. исслед. 2001. Т. 39. № 1. C. 13–17.Куницын В.Е., Нестеров И.А., Шалимов С.Л. Мегаземлетрясение в Японии 11 марта 2011 г.: регистрация ионосферных возмущений по данным GPS // Письма в ЖЭТФ. 2011. Т. 94 № 8. С. 657–661.Косов А.С., Чернышов A.A., Могилевский М.М. и др. Космический эксперимент по измерению ионосферных задержек сигнала ИЗРС (ионосферные задержки радиосигнала) // Исследование Земли из космоса. 2018. № 9. С. 1282–1290. https://doi.org/10.31857/S020596140003364–1Bernhardt P.A., Dymond K.F., Picone J.M. et al. Improved radio tomography of the ionosphere using EUV/optical measurements from satellites // Radio Science. 1997. V. 32. Iss. 5. P. 1965–1972.Mitchell C.N., Spencer P.S. A three-dimensional time-dependent algorithm for ionospheric imaging using GPS // Annales Geophysicae. 2003. V. 46. P. 687–696.Scherliess L., Schunk R.W., Sojka J.J. et al. Utah State University Global Assimilation of Ionospheric Measurements Gauss-Markov Kalman filter model of the ionosphere: Model description and validation // J. Geophysical Research. 2006. V. 111. Iss. A11315.Куницын В.Е., Терещенко Е.Д., Андреева Е.С. и др. Спутниковое радиозондирование и радиотомография ионосферы // Успехи физических наук. 2010. Т. 180. С. 548–553. https://doi.org/10.3367/UFNr.0180.201005k.0548Chernyshov A.A., Chugunin D.V., Mogilevsky M.M. et al. Studies of the ionosphere using radiophysical methods on ultra-small spacecrafts // Acta Astronautica. 2020. V. 167. P. 455–459. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.11.031Чернышов А.А., Чугунин Д.В., Могилевский М.М. и др. Подходы к исследованию мультимасштабной структуры ионосферы с использованием наноспутников // Геомагнетизм и аэрономия. 2016. Т. 56. № 1. С. 77–85. https://doi.org/10.7868/S0016794016010041Чернышов А.А., Чугунин Д.В., Могилевский М.М. и др. Изучение неоднородной структуры ионосферы при помощи одновременных измерений наноспутниками стандарта CubeSat // Известия ВУЗов. Приборостроение. 2016. Т. 59. № 6. С. 443–449.Attrill G., Nicholas A., Routledge G. et al. Coordinated Ionospheric Reconstruction CubeSat Experiment (CIRCE), In situ and Remote Ionospheric Sensing (IRIS) suite // J. Space Weather and Space Climate. 2021. V. 11. Iss. 16.Petrukovich A., Моgilevskii M., Kozlov I. et al. Monitoring of Physical Processes in Upper Atmosphere, Ionosphere and Magnetosphere in Ionosphere Space Missions // EPJ Web of Conferences. 2021. V. 254. P. 02010. https://doi.org/10.1051/epjconf/202125402010Андреева Е.С., Назаренко М.О., Нестеров И.А., и др. Использование одноточечного приема сигналов низкоорбитальных спутниковых радиомаяков для локальной оценки ионосферных параметров // Изв. вузов. Радиофизика. 2020. Т. 63. № 11. C. 942–957.