авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Метод мониторинга ионосферы земли на основе использования навигационных спутниковых систем

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

СМИРНОВ Владимир Михайлович

Метод мониторинга ионосферы Земли

на основе использования навигационных

спутниковых систем

01.04.03. Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Москва 2007

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН

Официальные оппоненты: Пермяков Валерий Александрович,

доктор физико-математических наук,

профессор

Ружин Юрий Яковлевич,

доктор физико-математических наук

Боярчук Кирилл Александрович,

доктор физико-математических наук

Ведущая организация: Государственное учреждение Научный центр аэрокосмического мониторинга «Аэрокосмос» (ЦПАМ «Аэрокосмос») Министерства образования и науки Российской Федерации и Российской академии наук

Защита состоится 2 ноября 2007 года в 10-00 на заседании диссертационного совета_Д 002.231.02 при Институте радиотехники и электроники РАН по адресу: 125009, Москва, ГСП-9, ул. Моховая, д.11, корп.7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН.

Автореферат разослан «____» сентября 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор физико-математических наук А.А.Потапов

Введение

Исследование физической природы, морфологии и динамических характеристик неоднородностей электронной концентрации является одной из ключевых задач физики ионосферы. Изучение особенностей распространения радиоволн в ионосфере и разработка новых методов её зондирования являются важными задачами радиофизики, которые входят в Перечень приоритетных направлений фундаментальных исследований РАН по направлениям «Физика ионосферной и межпланетной плазмы» и «Фундаментальные проблемы распространения радиоволн».

Исследование структуры ионосферы важно как для понимания физики протекающих в ней процессов, так и для решения разнообразных радиофизических задач, связанных с распространением радиоволн. Необходимость изучения ионосферы связана с эффективностью функционирования спутниковых систем радиосвязи и координатно-временного обеспечения и с тенденцией разработки радаров с синтезированной апертурой, использующих всё более низкие частоты радиоволн и способных осуществлять глубинное зондирование земных грунтов [1-4].

Важной проблемой является мониторинг состояния ионосферы над потенциально сейсмоопасными районами, поскольку установлено, что на стадии формирования сейсмического процесса ионосфера над эпицентром испытывает различные возмущения, связанные с процессом прохождения землетрясений [5-8]. Научный интерес к исследованию естественных и антропогенных процессов, происходящих в природной среде, обусловлен также тем, что их можно трактовать как активные эксперименты в ионосфере Земли и использовать возникающие при этом эффекты для решения целого ряда задач физики ионосферы, ионосферного распространения радиоволн, физики атмосферных волн и т.д.



В настоящее время для определения характеристик различных объектов используются радиофизические методы, основанные на решении обратных задач математической физики [9]. Методология исследований, базирующаяся на решении обратных задач, является одним из новых направлений в изучении процессов, происходящих в ионосфере Земли [10-11]. Преимущество методов, использующих теорию решения обратных задач распространения радиоволн в неоднородной атмосфере, заключается в том, что они позволяют проводить экспериментальные исследования непосредственно при эксплуатации существующих спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS, предназначенных для решения других задач. Этот подход является новой эрой в ионосферных исследованиях, поскольку основное свойство этих систем - возможность проводить измерения непрерывно во времени в любой точке Земли - непосредственно переносится на ионосферный мониторинг и позволяет обеспечить исследование глобальных и региональных явлений в ионосфере.

Выполненные в рамках данной работы исследования соответствуют специальности 01.04.03 «Радиофизика», раздел 5 «Разработка научных основ и принципов активной и пассивной дистанционной диагностики окружающей среды, основанных на современных методах решения обратных задач. Создание систем дистанционного мониторинга гео-, гидросферы, ионосферы, магнитосферы и атмосферы. Радиоастрономические исследования ближнего и дальнего космического пространства».

Основные сведения об ионосфере получают в настоящее время от установок, расположенных на Земле. Однако они в состоянии дать информацию лишь о параметрах ионосферы ниже максимума слоя F2. Что касается верхней ионосферы, то соответствующая информация о высотном распределении электронной концентрации ранее могла быть получена только с помощью ионозондов космического базирования, вертикальных запусков ракет и немногочисленных установок некогерентного рассеяния радиоволн, позволяющих определять параметры ионосферной плазмы в широком диапазоне высот 70 –1500 км. Однако эти средства достаточно дороги. В связи с этим особую остроту приобретает технология определения параметров ионосферы на основе анализа свойств сигналов, излученных искусственными спутниками Земли.

Существующие методы определения параметров ионосферы по данным спутниковых измерений дают возможность контролировать в основном интегральное содержание электронного распределения ионосферы Земли. Метод определения параметров земной ионосферы, основанный на использовании классической схемы радиопросвечивания спутник-спутник, позволяет определять высотное распределение электронной концентрации ионосферы Земли, но требует наличия одновременно двух спутников. Обеспечивая глобальность наблюдения за состоянием нижней части ионосферы Земли, данный метод не обладает высоким пространственным разрешением вдоль траектории полета.

Практическое использование радиотомографических методов, позволяющих восстанавливать двумерную зависимость высотного распределения электронной концентрации по измерениям в специально расположенных пунктах, является весьма сложной технической и вычислительной задачей.

Предложенный в диссертационной работе метод радиопросвечивания на трассе спутник-наземный пункт позволяет получать высотный профиль распределения электронной концентрации ионосферы Земли в подорбитальном пространстве космического аппарата для различных гелио- и геофизических условий в любое время суток и для любых регионов земной поверхности, включая горы и морские акватории, северный и южный полюса.

Целью настоящей диссертационной работы является развитие теории и разработка технологии непрерывного мониторинга, предназначенных для исследования ионосферы и решения задач оперативного контроля высотного распределения и полной электронной концентрации ионосферы Земли методом радиопросвечивания на трассе спутник - Земля с использованием радиосигналов навигационных спутниковых систем в реальном масштабе времени.

Реализация поставленной цели достигается на основе решения следующих задач:

обоснование необходимости применения навигационных спутниковых систем для обеспечения глобального и непрерывного мониторинга высотного распределения электронной концентрации ионосферы методом радиопросвечивания на трасе спутник-Земля в реальном масштабе времени;

разработка алгоритмов и программных средств, предназначенных для решения обратной задачи радиопросвечивания на трассе спутник-Земля с целью определения высотного распределения электронной концентрации ионосферы Земли;

исследование влияния дополнительной априорной информации и погрешностей измерений дальности и приведенной разности фаз на определение высотного профиля электронной концентрации;

разработка алгоритмов реконструкции пространственно-временных распределений электронной концентрации ионосферы Земли по результатам спутникового мониторинга в однопозиционной схеме наблюдений;

создание автоматизированной технологии обработки навигационных данных для практической реализации метода радиопросвечивания на трассе спутник-Земля на основе использования двухчастотной наземной аппаратуры и метода решения обратной задачи;

апробация разработанной технологии мониторинга состояния ионосферы в период воздействия на неё факторов естественного и антропогенного происхождения по данным навигационных спутниковых систем;

оценка пространственно - временного разрешения метода радиопросвечивания на трассе спутник-Земля при определении параметров ионосферы применительно к задаче детектирования сейсмоионосферных вариаций;

разработка рекомендаций и подготовка исходных данных навигационных измерений для практической реализации технологии непрерывного мониторинга ионосферы методом радиопросвечивания на трассе спутник-Земля.

Актуальность исследований, проведенных в диссертационной работе, обусловлена необходимостью решения комплекса проблем по разработке эффективных методов мониторинга ионосферы Земли на основе существующих навигационных спутниковых систем. Это направление связано с созданием новых математических методов обработки навигационных сигналов, позволяющих определять параметры ионосферы, важные для практических применений. Использование метода сопряженных градиентов для решения обратной задачи радиопросвечивания ионосферы Земли позволяет создать эффективную технологию радиофизического мониторинга ионосферы в глобальном масштабе, предназначенную как для решения научно-практических задач, так и прогноза антропогенных явлений, в частности, землетрясений.

Решение этих задач имеет важное значение при реализации Федеральных целевых программ «Глобальная навигационная система», «Развитие и модернизация системы сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений», "Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2010 года", программы Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды "Гидрометеорологическое обеспечение безопасности жизнедеятельности и рационального природопользования" (подраздел: "Методы, модели и технологии анализа и прогноза состояния верхней атмосферы, ионосферы и магнитосферы Земли, околоземного космического пространства"). Все эти программы направлены на совершенствование методов и технологий аэрокосмического мониторинга природной среды и чрезвычайных ситуаций.

Методы исследований. Выполненные исследования основаны на использовании функциональных связей параметров зондирующих сигналов и среды их распространения и математического аппарата решения интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода. Решение таких уравнений относительно неизвестной функции сводится к решению обратных некорректно поставленных задач атмосферной рефракции.

Научная новизна работы заключается в теоретическом, методическом и экспериментальном обосновании и решении проблемы создания технологии непрерывного мониторинга для исследования и прогнозирования состояния ионосферы Земли на основе использования глобальных спутниковых навигационных систем и программно-алгоритмической реализации метода решения обратной задачи радиопросвечивания. Она отражена в следующих результатах.

Обоснована практическая целесообразность и необходимость применения спутниковых систем для решения задачи глобального и непрерывного мониторинга высотного распределения электронной концентрации ионосферы методом радиопросвечивания на трассе спутник-Земля в квазиреальном времени.

Обоснована возможность использования градиентных алгоритмов для решения обратной задачи радиопросвечивания с целью определения высотного профиля распределения электронной концентрации ионосферы Земли. Показана эффективность алгоритма решения обратной задачи методом сопряженных градиентов на множествах специальной структуры по данным навигационных систем.





Разработаны и апробированы на реальных данных измерений алгоритмы и программные средства, предназначенные для определения высотного распределения электронной концентрации ионосферы Земли.

Для практической реализации метода радиопросвечивания путем численного моделирования исследовано влияние априорной информации и погрешностей измерений дальности и приведенной разности фаз на определение высотного профиля электронной концентрации и сделаны теоретические оценки точности спутниковых радионавигационных измерений.

Создана автоматизированная технология обработки навигационных данных для практической реализации метода радиопросвечивания на трассе спутник-Земля на основе использования двухчастотной наземной аппаратуры и метода решения обратной задачи. Доказана эффективность применения этого метода при детектировании ионосферных возмущений во время гелиофизических процессов на Солнце и антропогенных эффектов на Земле.

Получены оценки пространственно-временного разрешения метода радиопросвечивания на трассе спутник-Земля при определении параметров ионосферы применительно к задаче детектирования сейсмоионосферных вариаций в зависимости от состояния геомагнитной активности.

Разработаны рекомендации по использованию навигационных систем при практической реализации технологии непрерывного мониторинга ионосферы методом радиопросвечивания на трассе спутник-Земля.

Практическая значимость работы заключается в том, что теоретически обоснованы и реализованы на практике элементы технологии непрерывного мониторинга ионосферы Земли, основанные на использовании полученных с помощью навигационных спутниковых систем материалов и применении метода решения обратной задачи радиопросвечивания на трассе спутник-Земля. Развитая технология определения профиля электронной концентрации не требует применения специально оборудованных пунктов и может быть реализована в полевых условиях, на борту самолетов и морских судов, что весьма важно для получения информации об ионосфере в квазиреальном масштабе времени и планетарном масштабе.

Предложена методика детектирования сейсмоионосферных вариаций по данным навигационных спутниковых систем. Апробация методики проведена на реальных сейсмических явлениях, имевших место в различных регионах Земли.

Реализовано применение метода радиопросвечивания ионосферы Земли в период гелиогеофизических и сейсмических явлений и показана его высокая эффективность для получения репрезентативных данных о характеристиках такого рода событий.

Разработаны рекомендации по созданию автоматизированного центра обработки, предназначенного для непрерывного мониторинга ионосферы с использованием сигналов навигационных систем в масштабе реального времени.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод радиопросвечивания на трассе спутник-Земля, базирующийся на использовании глобальных навигационных спутниковых систем Глонасс и GPS, является новым высокоэффективным средством для исследования и непрерывного мониторинга пространственно-временного распределения электронной концентрации ионосферы Земли в реальном масштабе времени.

2. Метод проекции сопряженных градиентов на множествах специальной структуры является эффективным средством решения обратной задачи радиопросвечивания ионосферы Земли на трассе спутник - наземный пункт.

3. Построение современной технологии непрерывного мониторинга для решения задач определения состояния, оперативного и краткосрочного прогноза пространственно-временных параметров ионосферы основано на методе радиопросвечивания на трассе спутник-Земля радиосигналами спутниковых навигационных систем.

4. Технология непрерывного мониторинга, основанная на методе радиопросвечивания на трассе спутник-Земля, является новым и высокоэффективным средством контроля пространственно-временных параметров ионосферы Земли в планетарном масштабе.

5. Метод радиопросвечивания ионосферы является эффективным средством контроля состояния ионосферы Земли в период возникновения гелиофизических и сейсмических явлений и может использоваться при их наблюдении и прогнозировании.

Апробация результатов работы. Материалы диссертационной работы обсуждались на Всероссийской научной конференции «Возможности создания и применения геодезических и картографических космических средств для решения фундаментальных и прикладных задач» (1993 г., Москва); на Всероссийских научных конференциях по распространению радиоволн (1984, 1987, 1993, 1996, 1999, 2002, 2005 г.г., Россия); на научно-технической конференции «Современное состояние проблем навигации и океанографии» (1995 г., С-Петербург); на международной конференции «Радар-96» (1996 г., КНР), на Генеральных ассамблеях Европейского геофизического союза (1998 г., Австрия; 1999 г., Голландия; 2000 г., Франция; 2006, 2007 г., Австрия); на международном симпозиуме по GPS «Применение GPS в науках о Земле и её взаимодействие с другими геодезическими системами» (1999 г., Япония); на международной ассамблее комитета по космическим исследованиям «COSPAR-2000» (2000 г., Польша); на Всероссийских конференциях «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (2004, 2005 г., Москва); на международном симпозиуме по дистанционному зондированию окружающей среды ISRSE - 2005 (2005 г., С-Петербург).

По теме диссертации опубликована 51 работа – 23 статьи (включая 17 статей в журналах, рекомендованных ВАК), 25 докладов на российских и международных конференциях.

Результаты, представленные в диссертации, являются частью радиофизических исследований, проводившихся в Институте радиотехники и электроники РАН в период с 1984 по 2007 г.г. с целью изучения влияния условий распространения радиоволн на работу космических радионавигационных и геодезических систем как при непосредственном участии автора, так и его руководством.

Проводимые исследования были поддержаны грантами РФФИ (№01-05-64040, №04-05-64207, №04-05-08045_офи-а), в которых автор являлся руководителем и основным исполнителем, и Программой отделения физических наук РАН «Плазменные процессы в Солнечной системе».

Достоверность научных выводов подтверждается согласованностью теоретических и практических результатов с известными в литературе данными, согласованностью результатов математического моделирования и экспериментальных исследований с результатами теоретического анализа, сопоставлением полученных результатов с данными наземных ионозондов.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.