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 |

Использование измерений сигналов системы gps для обнаружения ионосферных предвестников землетрясений

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Захаренкова Ирина Евгеньевна

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ СИГНАЛОВ СИСТЕМЫ GPS

ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ИОНОСФЕРНЫХ ПРЕДВЕСТНИКОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

01.04.03 радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Калининград 2007

Работа выполнена в Российском государственном университете

имени Иммануила Канта

Научные руководители: кандидат технических наук, профессор

Лаговский Анатолий Францевич

кандидат физико-математических наук,

Шагимуратов Ирк Ибрагимович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Намгаладзе Александр Андреевич

доктор физико-математических наук

профессор

Захаров Вениамин Ефимович

Ведущая организация: Полярный геофизический институт,

г. Мурманск

Защита состоится «____» ___________ 2007 г. в _____часов на заседании диссертационного совета К212.084.02 физического факультета Российского государственного университета имени И. Канта по адресу: 236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета имени И. Канта

Автореферат разослан «____» ______________ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета В.А. Пахотин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Проблема прогноза землетрясений по-прежнему остается одной из важнейших нерешенных задач современной геофизики. В свете катастрофических событий последних лет актуальность развития и совершенствования методов прогноза не уменьшается. Это касается долгосрочного, среднесрочного и, тем более, краткосрочного прогнозирования.

В настоящее время получены экспериментальные и теоретические результаты, значительно продвинувшие решение данной проблемы. Совокупный анализ результатов наблюдений позволил сделать заключение о том, что подготовка землетрясения сопровождается интенсивной активизацией различных процессов в приземных слоях атмосферы и формированием в нижней атмосфере источников, стимулирующих многочисленные плазменные и электромагнитные эффекты в ионосфере, которые можно рассматривать как предвестники и использовать их в качестве физической основы для построения новых систем прогнозирования и предупреждения землетрясений, дополняющих комплекс традиционных сейсмических, геохимических и других систем прогноза.

Идея осуществления краткосрочного прогноза разрушительных землетрясений на основе ионосферных и магнитосферных предвестников нашла свое отражение в разработке и создании специализированных проектов космического мониторинга природных катастроф “COMPASS-1” (Complex Orbital Magneto-Plasma Autonomous Small Satellite), “COMPASS-2”, (проект “Vulkan”), “Sich-1M” (проект “Variant”), “QuakeSat”, “DEMETER” (Detection of Electro-Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions), “ESPERIA” (Earthquake investigation by Satellite and Physics of the Environment Related to the Ionosphere and Atmosphere). Однако отдельные спутники способны поставлять лишь фрагментарную информацию, для осуществления мониторинга в глобальном масштабе необходимо создание многоспутниковых систем, которые в настоящий момент находятся на стадии разработки.



Поэтому сегодня развитие мониторинга ионосферных предвестников землетрясений связывается с использованием глобальной навигационной системы GPS (Global Positioning System). Система GPS является в настоящее время наиболее эффективным и перспективным средством дистанционной диагностики ионосферы из всех радиофизических методов. Измерения параметров трансионосферных радиосигналов, излучаемых спутниками системы GPS, обеспечивают получение информации о структуре и динамике ионосферы в планетарном масштабе. Использование GPS измерений имеет целый ряд преимуществ по сравнению с классическими радиофизическими средствами зондирования ионосферы – действительная непрерывность, высокое пространственно-временное разрешение и глобальность мониторинга ионосферных возмущений различной природы. Метод диагностики ионосферы с помощью спутниковых радиосигналов является наиболее экономичным, так как основывается на уже существующей космической и наземной инфраструктуре навигационной системы GPS. Перспективность использования метода радиопросвечивания ионосферы на основе применения сигналов глобальных навигационных систем базируется на развитии и расширении космического сегмента за счет реализации проектов GALILEO и ГЛОНАСС, что создаст исключительные предпосылки для повышения точности контроля состояния ионосферы и, как следствие, выделения ионосферных эффектов, связанных с сейсмической активностью.

Целью диссертационной работы является исследование пространственно-временной модификации ионосферы, порождаемой процессами подготовки землетрясений, для разработки новых методов дистанционного обнаружения и раннего оповещения о природных катастрофах методом радиопросвечивания ионосферы сигналами дециметрового диапазона.

Для решения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Усовершенствование и развитие алгоритмов и программ обработки измерений задержек двухчастотных радиосигналов навигационных спутников GPS/ГЛОНАСС по восстановлению полного электронного содержания ионосферы (ТЕС).

2. Разработка методики выявления сейсмо-ионосферных предвестников на фоне вариаций в ионосфере, вызванных другими факторами (солнечной, геомагнитной активностью и пр.).

3. Разработка алгоритмов и программного комплекса обнаружения сейсмо-ионосферных предвестников в вариациях полного электронного содержания.

4. Проведение исследования пространственно-временной модификации ионосферы перед сильными землетрясениями (M>5.0) для различных сейсмически-активных районов Земли.

5. Совокупный анализ полученных результатов с целью выделения общих закономерностей проявления сейсмо-ионосферных предвестников в GPS ТЕС вариациях.

Методы исследования

В работе использовались методы обработки измерений задержек сигналов навигационных спутников системы GPS на частотах 1.2 / 1.6 ГГц по восстановлению полного электронного содержания ионосферы и построения карт ТЕС с высоким пространственно-временным разрешением на основе алгоритма многостанционной обработки наблюдений международной сети IGS/GPS приемных станций. Для обнаружения ионосферных предвестников землетрясений в вариациях полного электронного содержания ионосферы применялись методы статистического анализа данных.

Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертационной работы определяется корректностью постановки задач и методов их решения, а также согласием результатов интерпретации экспериментальных данных с современными представлениями о литосферно-ионосферном взаимодействии, которые основываются на данных наземного и спутникового зондирования ионосферы, повторяемостью результатов для землетрясений с магнитудой выше 5.0-5.5 по шкале Рихтера, а также проверкой на соответствие выводам других авторов.

Научная новизна

1. Впервые для обнаружения и анализа ионосферных аномалий, ассоциированных с сейсмической активностью, была применена современная и наиболее эффективная технология непрерывного глобального мониторинга состояния ионосферы на основе спутниковых радиофизических методов.

2. Впервые для изучения пространственно-временных характеристик сейсмо-ионосферных предвестников была разработана и реализована технология построения региональных карт полного электронного содержания ионосферы, полученных по результатам многостанционной обработки непрерывных наблюдений сетей GPS станций EUREF, GEONET, IGS.

3. Предложен новый подход в исследовании ионосферных предвестников землетрясений на основе анализа вариаций полного электронного содержания ионосферы с использованием: а) локальных измерений ТЕС, б) региональных ТЕС карт, в) глобальных ТЕС карт в формате IONEX.

4. Получены новые данные о проявлении сейсмо-ионосферных предвестников в GPS TEC измерениях для среднеширотных землетрясений (Италия, Греция, Турция, Алжир, Япония), выявлены основные характеристики предсейсмической модификации ТЕС над изучаемыми регионами.

Практическая ценность

Практическое применение результатов сейсмо-ионосферного мониторинга и прогноза представляет собой особую задачу, решение которой лежит в сфере интересов служб по чрезвычайным ситуациям не только в России, но и для других стран.

Разработанный подход базируется на новых принципах обработки информации о состоянии ионосферы, так и на комплексном подходе к анализу предвестников разной природы. Использование ионосферных предвестников, обнаруживаемых в GPS TEC вариациях для землетрясений с магнитудой выше 5.0, дает возможность дополнить традиционные методы сейсмического мониторинга. Реализация этой концепции может в скором будущем заложить надежные основы для устойчивого научного прогнозирования сильных землетрясений. Наряду с этим результаты исследования характеристик трансионосферных сигналов дециметрового диапазона представляют интерес с точки зрения изучения пространственной структуры и динамики ионосферы, а также могут найти применение в задачах космической навигации, радиолокации, связи.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методика обнаружения ионосферных предвестников землетрясений в вариациях GPS ТЕС.

2. Результаты исследования пространственно-временной модификации ионосферы для различных сейсмически-активных регионов мира.

3. Характеристики обнаруженных сейсмо-ионосферных аномалий в вариациях полного электронного содержания ионосферы.

4. Вывод о перспективности использования глобального мониторинга ионосферы на основе GPS наблюдений для реализации новых методов краткосрочного прогноза землетрясений.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и были представлены на IX, X, XI, XII региональных конференциях по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 2003, 2004, 2005, 2006), Международной научной конференции, приуроченной к 200-летию со дня рождения К.Якоби и 750-летию со дня основания г. Калининграда (Кёнигсберга) (Калининград, 2005), XXI Всероссийской научной конференции по распространению радиоволн (Йошкар-Ола, 2005), European Geosciences Union General Assembly 2006 (Vienna, Austria, 2006), XXIV Всероссийском симпозиуме "Радиолокационное исследование природных сред" (Санкт-Петербург, 2006), 6th International Conference "Problems of Geocosmos" (Санкт-Петербург, 2006), 18th International Wroclaw Symposium and Exhibition on Electromagnetic Compatibility (Wroclaw, Poland, 2006), 6-й Украинской конференции по космическим исследованиям (Евпатория, Украина, 2006), AGU Chapman Conference on Mid-latitude Ionospheric Dynamics and Disturbances (Yosemite, USA, 2007).

По теме диссертации опубликовано 23 работы, из них 9 статей, 3 работы в трудах научных конференций и 11 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав и заключения. Работа содержит 146 страниц текста, в том числе 73 рисунка и 3 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 135 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность темы исследования, сформулирована цель работы, приводятся сведения о научной новизне и практической значимости полученных результатов.

В первой главе представлен обзор основных результатов изучения ионосферных предвестников землетрясений. Обобщены и систематизированы экспериментальные данные, полученные с помощью наземных станций вертикального зондирования ионосферы, расположенных в сейсмически-активных регионах Земли, а также результаты спутникового радиозондирования. Показано, что одним из наиболее чувствительных параметров ионосферной плазмы к процессам подготовки землетрясения является электронная плотность в максимуме слоя F ионосферы NmF2. Проявления сейсмо-ионосферных возмущений в слое F носят настолько специфический характер, что при спокойном или умеренно-возмущенном гелио-геомагнитном фоне могут отождествляться как сейсмо-ионосферные предвестники землетрясений с высокой степенью вероятности. В этой связи данные регулярного мониторинга пространственно-временного распределения электронной концентрации ионосферы могут предоставлять достаточно надежную информацию о предвестниках катастрофических явлений и эффективно использоваться для краткосрочного прогноза землетрясений. В настоящее время GPS техника является наиболее перспективным средством диагностики для обнаружения сейсмо-ионосферных предвестников.





Физические механизмы литосферно-ионосферного взаимодействия широко обсуждаются многими авторами. В данной главе представлено описание наиболее адекватной электродинамической модели литосферно-атмосферно-ионосферных связей, позволяющей интерпретировать большинство спутниковых и наземных измерений аномальных вариаций ионосферы, наблюдаемых над сейсмически-активными регионами, проявлением одной причины [Сорокин В.М. и Чмырев В.М. Электродинамическая модель ионосферных предвестников землетрясений и некоторых видов катастроф // Геомагнетизм и аэрономия. 2002. Т. 42. № 6. с.821-830].

Согласно этой модели, изменения параметров нижней атмосферы над сейсмоактивной зоной инициируют возмущения ионосферной плазмы и электромагнитного поля. Главной причиной этих эффектов является вертикальный турбулентный перенос инжектируемых в атмосферу заряженных аэрозолей и радиоактивных веществ. Увеличение уровня атмосферной радиоактивности при подготовке землетрясения приводит к росту скорости ионообразования и электрической проводимости нижней атмосферы. Совместное действие этих процессов приводит к усилению в ионосфере электрического поля до величин единицы – десятки мВ/м, что сопровождается локальными изменениями концентрации плазмы.

Вторая глава содержит описание методики обработки двухчастотных радиосигналов навигационных спутников системы GPS по восстановлению полного электронного содержания ионосферы и методику анализа вариаций GPS ТЕС с целью обнаружения ионосферных предвестников землетрясений.

В параграфе 1 представлено описание конфигурации и основных характеристик навигационной системы GPS, а также глобальной и региональных сетей GPS станций.

Космический сегмент системы образован орбитальной группировкой, номинально состоящей из 24 основных спутников и четырех резервных. Космические аппараты находятся на шести круговых орбитах высотой 20200 км, наклонением 55° и равномерно разнесенных по долготе через 60°. Данная конфигурация предполагает, что в любой точке Земли в любой момент времени в зоне радиовидимости находятся 6-8 спутников системы, что позволяет проводить непрерывный мониторинг ионосферы. Каждый спутник GPS излучает два высокостабильных сигнала на частотах f1=1575.42 МГц и f2=1227.60 МГц. Двухчастотные групповые измерения задержек сигналов спутников GPS позволяют выделить ионосферную часть задержки радиосигнала, и соответственно определить абсолютное значение полного электронного содержания, которое пропорционально этой задержки.

В настоящее время в мире насчитывается более 3000 GPS станций, которые проводят непрерывные наблюдения на регулярной основе и свободно предоставляют свои данные мировому сообществу. Каждая отдельная станция обеспечивает мониторинг ионосферы в радиусе более чем 1000 км, в том числе в трудно доступных местах.

Глобальная сеть IGS (International GNSS Service) содержит более 1500 станций по всему миру. Использование сети IGS станций для исследования ионосферы имеет несколько преимуществ над более традиционными методами: одновременное глобальное покрытие, высокое временное разрешение, непрерывность во времени, доступность данных.

Необходимо отметить также бурный рост региональных сетей GPS станций, обеспечивающих невиданное ранее пространственно-временное разрешение. Европейская сеть EUREF Permanent GPS Network (EPN) в настоящий момент насчитывает 187 станций. Мощная сеть GEONET, развернутая в Японии, предоставляет информацию от 1200 GPS станций. Плотная сеть GPS станций (около 300) создана в сейсмоопасной зоне в штате Калифорния (США). Развитие данных сетей представляет собой экспериментальную основу для осуществления GPS мониторинга основных сейсмоактивных районов мира.

Параграф 2 описывает методику восстановления полного электронного содержания ионосферы (ТЕС) по измерениям сигналов навигационных спутников системы GPS.

GPS техника реализует одновременно измерения групповых (P1, P2) и фазовых задержек сигналов L1(1) на частоте 1575.42 МГц и L2(2) на частоте 1227.60 МГц, которые можно записать в следующем виде:

,

,

,

,

где – включает в себя геометрическое расстояние между приемником и спутником (), Т – задержки в тропосфере, - часть систематической погрешности, в состав которой входят погрешности определения спутниковых эфемерид, расхождение шкал времени спутника и приемника и другие частотно-независимые задержки, – случайная погрешность, I1 и I1 – поправки на ионосферную рефракцию сигналов, 1N1 и 2N2 – неизвестные начальные фазы сигналов, c – скорость света,

tС1, tС2 и tП1, tП2 – инструментальные задержки сигналов в аппаратуре спутника и приемника.

Дифференциальная задержка двух сигналов пропорциональна полному электронному содержанию ионосферы TEC (Total Electron Content):

,

,

где I – дифференциальная ионосферная задержка, B – неизвестная начальная фаза, А – неизвестная аппаратурная задержка, M=10.5·1018 м3/эл – масштабный коэффициент.

Формально уравнения для групповых и фазовых измерений имеют одинаковый вид, и ионосферная задержка может быть определена с точностью до неизвестной поправки. Инструментальная задержка мало меняется на временах более нескольких дней, в то время как начальная фаза остается постоянной на временах сеанса связи.

Для обработки GPS измерений используются два алгоритма – одно- и многостанционный. В одностанционном варианте восстанавливается суточная вариация ТЕС над отдельной станцией по измерениям всех пролетов спутников на 24-часовом интервале. При этом определяется абсолютное значение ТЕС, инструментальные задержки и неизвестные фазы для каждого спутника. Для восстановления ТЕС над станцией используется локальная модель для суточной вариации в виде разложения по суточным гармоникам. Для пересчета наклонного ТЕС (вдоль луча спутник-приемник) в вертикальный используется однослойная модель ионосферы, в которой предполагается, что все электроны сосредоточены в тонком слое, расположенном на некоторой высоте над поверхностью Земли. Высота слоя считается фиксированной и равной 400 км. Для пересчета используется геометрический фактор.



Pages:   || 2 |
 

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.