2-DIMENTIONAL IONOSPHERE RADIOTOMOGRAPHY: THE EXISTING AND PERSPECTIVE TECHNOLOGIES

Full Text

Начиная с 2008 г. в России Росгидрометом создается система мониторинга геофизической обстановки над территорией РФ (СМГФО), основной задачей которой является выявление неоднородностей (неоднородных геофизических структур) различного происхождения в верхней атмосфере, ионосфере, околоземном космическом пространстве [1]. В качестве источников информации о состоянии ионосферы в СМГФО, помимо средств вертикального и наклонного радиозондирования входит подсистема радиотомографии ионосферы, которая состоит из сетей двумерной и трехмерной радиотомографии. Двумерная радиотомография является одним из наиболее эффективных способов определения электронной концентрации в ионосфере на высотах 100-1 000 км, благодаря использованию когерентных сигналов низкоорбитальных спутников. Подобный подход [2] используется уже около 20 лет, однако создание СМГФО потребовало значительного пересмотра реализации метода и модернизации программных и аппаратных средств для обеспечения высокой степени автоматизации процесса регистрации и синхронной работы большого количества территориально разнесенной аппаратуры. В результате была разработана информационная технология радиотомографии ионосферы и соответствующее аппаратное обеспечение, описание которых приводится в данной работе. Разработка технологии двумерной РТ ионосферы. Основным принципом двумерной радиотомографии ионосферы является синхронная регистрация изменения разности фаз двух когерентных сигналов (150 и 400 МГц), пропорциональная изменению относительного полного электронного содержания, от спутников с приполярной орбитой на сети приемных установок, расположенных в меридиональном направлении, и последующая реконструкция распределения электронной концентрации по полученным измерениям. Разработанные до 2008 г. аппаратура приема и методика сбора и обработки данных [2] не позволяли оперативно получать карты распределения электронной концентрации, а также имели ограниченный диапазон используемых спутников. За рубежом единственная система радиотомографии ионосферы, работающая в режиме близком к реальному времени, была только в США, где велись наблюдения ионосферы над нагревным стендом HAARP, однако принципы ее работы в литературе описаны не были. В настоящее время эта система не работает. Таким образом, для реализации двумерной радиотомографии ионосферы в СМГФО возникла необходимость в создании нового приемного оборудования и программного обеспечения, которое позволяло бы осуществлять мониторинг ионосферы с использованием большого количества удаленных приемных станций и обеспечивало бы быстрое формирование карт распределения электронной концентрации. Для достижения высокой скорости получения и обработки данных, все новое программное и аппаратное обеспечение изначально разрабатывалось для работы в сети Интернет. В итоге были разработаны типовой сетевой радиотомографический приемник для регистрации ионосферной задержки когерентных сиг налов и сервер информационной технологии обработки данных от сетей радиотомографических приемников. Радиотомографический приемник позволяет производить прием и тематическую обработку когерентных сигналов находящихся в диапазоне ±300 ppm относительно центральных частот 150, 400 МГц, что позволяет осуществлять наблюдение за ионосферой с использованием соответствующих спутников, в частности COSMOS (2407, 2414, 2429, 2454, 2463), OSCAR (23, 25, 31, 32), FORMOSAT-3 FM (1-6), RADCAL, DMSP F15. В число основных функций входят: расчет разностной фазы и относительной интегральной электронной концентрации и ее градиента на линиях визирования спутник-приемник, а также осуществление координатно-временной привязки измерений [3]. Базовыми элементами информационной технологии являются клиентское и серверное программное обеспечение (ПО). Клиентское ПО осуществляет предварительную обработку результатов наблюдений и передачу их на сервер по протоколу HTTP. Серверное ПО в свою очередь осуществляет получение данных, томографическую обработку информации с сети приемных установок. На основе анализа метаинформации в поступившем с приемника файле, осуществляется идентификация полученных данных определенному, заранее предрассчитанному сеансу радиопросвечивания. После этого данные проходят процедуру координатно-временной привязки. При наличии более двух файлов наблюдений для одного сеанса запускается модуль решения томографической задачи. Применяемая в серверном ПО методика томографической обработки данных имеет в основе своей метод фазоразностной томографии [2]. В логике и структуре серверного ПО реализована возможность одновременной работы с несколькими сетями приемников. По предварительным оценкам один сервер способен одновременно обслуживать до 10 сетей по 5 приемников в каждой. Количество обслуживаемых приемников определяется, преимущественно, параметрами быстродействия вычислительной машины, используемой в качестве сервера. Информация о распределении электронной концентрации в районе мониторинга доступна через 5 мин после регистрации спутникового сигнала на приемных установках. Подробное описание технологии приводится в работе [4]. Результаты работ. Основным информационным продуктом информационной технологии являются карты высотного распределения электронной концентрации ионосферы (томограммы) над сетями радиотомо-графических приемников (см. рисунок). Разрешение карт составляет 25 км по высоте и 50 км вдоль сети. Протяженность томограмм определяется размером сети приемных установок. В настоящее время самая протяженная сеть Мурманск-Майкоп (всего 7 приемников) позволяет получать томограммы протяженностью около 3 300 км. С использованием технологии работают еще 3 сети в России, одна из которых расположена в европейской части страны, одна на о. Сахалин и одна на Камчатке. Первые две сети входят в состав СМГФО, вторые - экспериментальный полигон для отработки технологии радиотомографии, развернутый ОАО «Российские космические системы» (http://tomo.ionospace.ru). 170 Вестник СибГАУ. N 5 (51). 2013 Карта распределения электронной концентрации в веб-интерфейсе информационной технологии (а) и график сопоставления определения критической частоты с помощью информационной технологии и ионозонда (б) Оценка точности получаемых томограмм проводится с использованием измерений ионозондов, расположенных в районе наблюдений. Сопоставление двух рядов наблюдений в течение года показывает (около 700 синхронных измерений в точке), что в целом наблюдается хорошее соответствие, коэффициент корреляции 0,8. Средняя невязка равна 0,67 МГц, что составляет 7 % от максимального значения, зарегистрированного ионозондом за год и 14 % от среднего (см. рисунок). Перспективы. В целях повышения точности реконструкции электронной концентрации ионосферы с помощью описанной технологии, в настоящее время ведутся работы по реализации учета эффекта рефракции при решении задачи томографии, учету наклона зондируемого объема ионосферы, поиску наиболее эффективного способа подбора начального приближения. В идеале необходимо уменьшить ошибку в определении электронной концентрации до 0,1 МГц в терминах критической частоты. Также планируется расширить спектр информационных продуктов за чет наблюдений ионосферных мерцаний амплитуды зондирующих радиосигналов (индекс S4), графиков временной изменчивости полного электронного содержания в точке, а также автоматически выделяемых неоднородностей электронной концентрации. У описанного выше метода радиотомографии есть одно существенное ограничение - система регистрации привязана к определенной территории Земли. Для того чтобы избавится от этого недостатка была проведено моделирование системы радиотомографии ионосферы, в которой и приемники и передатчики находятся на малоразмерных космических аппаратах (МКА). В итоге были найдены варианты взаимного расположения МКА, которые в перспективе позволят создать систему глобального мониторинга ионосферы. В частности, для формирования орбитальной группировки МКА был предложен кластерный способ размещения спутников, при котором несколько (4-6) МКА размещаются в пределах взаимной радиовидимости и образуют самодостаточную для последующей реконструкции электронной концентрации ионосферы систему регистрации. Для увеличения частоты сканирова ния ионосферы в каждую орбитальную плоскость выводится до четьтрех кластеров МКА. При кластерном расположении спутников средние ошибки реконструкции составили 32-35 %, при количестве аппаратов не более 20 и времени накопления информации около 20 минут. Исследование показало, что использование результатов работы моделей ионосферы в качестве априорной информации, позволяет уменьшить средние ошибки реконструкции до 5-10 % [5]. В результате проведенных работ создана технология для оперативного получения широтных разрезов электронной концентрации ионосферы. Благодаря высокой скорости обработки томографических измерений (5-10 мин) и доступности результатов по сети Интернет, данная технология может быть с успехом использована как для мониторинга ионосферы в гидрометеорологических целях, так и в целях поиска неоднородностей естественного и искусственного происхождения.

About the authors

A. A. Romanov

JSC “Russian Space Systems”

Email: romanov@rniikp.ru
53 Aviamotornaya st., Moscow, 111250, Russia

S. V. Trusov

JSC “Russian Space Systems”

53 Aviamotornaya st., Moscow, 111250, Russia

A. A. Romanov

JSC “Russian Space Systems”

53 Aviamotornaya st., Moscow, 111250, Russia

O. I. Baraboshkin

JSC “Russian Space Systems”

53 Aviamotornaya st., Moscow, 111250, Russia

S. A. Bobrovskij

JSC “Russian Space Systems”

53 Aviamotornaya st., Moscow, 111250, Russia

References

Supplementary files