Выбор языка |
Главная О КНТС Новости Программы Направления исследований Эксперименты Результаты Информационные ресурсы Приём заявок
Шифр эксперимента: МКС-Глонасс
Направление НПИ: 2. Исследование Земли и космоса
Секция КНТС: 3. Исследования Земли из космоса
Наименование эксперимента: Радиозондирование ионосферы радиотомографическим и радиозатменным методами
Цель эксперимента:

Исследование структуры и динамики ионосферы при помощи комбинированного применения радиотомографического и радиозатменного методов с наземной и спутниковой регистрацией радиосигналов.

Описание эксперимента:

Исследование структуры ионосферы важно как для понимания физики протекающих в ней процессов, так и для разнообразных радиофизических задач, связанных с распространением радиоволн, поскольку ионосфера существенным образом влияет на работу различных систем навигации, локации и связи. Методы, основанные на дистанционном зондировании с помощью электромагнитных волн, позволяют получать информацию о распределении физических параметров среды распространения: электронной плотности и эффективной частоты соударений (плотности нейтралов и плазмы) в ионосфере, давление, температуру и влажность воздуха в атмосфере.

Применение томографических методов – закономерный этап эволюции многих диагностических систем. С начала 90-х годов интенсивно развиваются методы радиотомографии (РТ), позволяющие восстанавливать пространственную структуру распределения электронной концентрации при радиозондировании ионосферы.

В РТ-экспериментах прием двух когерентных спутниковых сигналов на частотах 150 и 400 МГц осуществляется на сети из нескольких наземных приемных станций, расположенных вдоль траектории спутников и на расстояниях порядка сотен километров. Такие системы позволяют получать в плоскости пролета спутника двумерные (высота-широта) РТ-сечения ионосферы на расстояниях в 1–3 тыс. км за времена порядка 10–15 мин. Разрешение РТ ионосферы при применении низкоорбитальных спутников составляет 20–30 км по горизонтали и 30–40 км по вертикали.

Высокоорбитальные (ВО) навигационные системы GPS/ГЛОНАСС так же позволяют проводить измерения характеристик ионосферы. Информация, постоянно получаемая сетью приемников GPS, охватывающей почти весь земной шар, дает возможность постановки задач региональной и глобальной реконструкции распределения электронной плотности в ионосфере. Сравнительно небольшая угловая скорость движения спутников GPS/ГЛОНАСС делает принципиально необходимым учет временной изменчивости ионосферы, что неизбежно приводит к постановке задачи четырехмерной (4D) томографии (три пространственные координаты и время). Основными особенностями 4D задачи являются высокая размерность и существенная неполнота данных. В отличие от двумерной РТ с использованием низкоорбитальных спутников здесь необходима дополнительная процедура интерполяции найденных решений в области отсутствия данных. Однако пространственная разрешающая способность при использовании навигационных систем GPS/ГЛОНАСС заметно ниже, чем в случае использования низкоорбитальных спутников.

Сейчас сигналы достаточно большого количества спутников GPS и ГЛОНАСС доступны непрерывно в любой точке Земли, а с развертыванием системы Galileo это число еще увеличится. Информация с сети приемных станций, принимающих сигналы GPS/ГЛОНАСС, предоставляется в специальном формате и находится в свободном доступе в сети Интернет. Плотность существующей сети станций достаточно велика и позволяет осуществлять глобальный мониторинг ионосферы Земли, при этом временное разрешение GPS данных, достаточно даже для исследований изменений электронной концентрации, вызванных быстрыми процессами, протекающими на Солнце во время вспышек. Системы GPS/ГЛОНАСС также дают возможность получать дополнительную информацию о состоянии атмосферы по данным спутникового приема их навигационных сигналов. Такие методики активно развиваются в настоящее время.

Радиозатменный (РЗ) подход предполагает измерения радиовосходов и радиозаходов GPS/ГЛОНАСС источника приемником, находящемся на низкоорбитальном спутнике, например, на МКС. В предположении квазисферической симметрии РЗ метод позволяет получать профили показателя преломления околоземной среды и определять профили электронной концентрации и профили температуры в атмосфере. Восстановление профилей при наличии горизонтальных градиентов и локальных неоднородностей приводит к значительным искажениям и погрешностям. Поскольку в РЗ подходе мы имеем дело с семейством квазипараллельных лучей, то обладая хорошим высотным разрешением этот метод имеет весьма низкое горизонтальное разрешение и не применим для восстановление ионосферных структур протяженностью менее 2000-3000 км.

В связи с этим совместное применение методов РТ и РЗ радиозондирования представляется весьма перспективным.

В эксперименте используется применение радиотомографического и радиозатменного методов для исследования ионосферы. Предлагаемое комбинированное применение РТ с наземной и спутниковой регистрацией радиосигналов GPS/ГЛОНАСС позволяет улучшить вертикальное разрешение классического РТ подхода и восстанавливать сложные распределения электронной концентрации в F и Е областях ионосферы. Наряду с наземным приемом радиосигналов от низкоорбитального спутника (МКС), осуществляется прием сигналов на МКС от высокоорбитальных спутников GPS/ГЛОНАСС. Тем самым, к традиционной схеме лучевой РТ с сетью наземных приемников добавляются данные по квазикасательным лучам.

Для проведения РТ экспериментов предполагается использовать существующую российскую РТ систему, расположенную по линии Шпицберген – Мурманск – Москва – Сочи. Планируется модернизация российской РТ системы и приобретение трехчастотных приемников, соответствующих трехчастотному передатчику на МКС. Предполагается использование для наземного приема и других существующих систем, в частности,

РТ систем на Аляске и в Юго-восточной Азии.

Результаты КЭ представляют интерес для многих геофизических и радиофизических задач.

Новизна эксперимента:

Предполагается детальное исследование ряда сложных ионосферных образований: экваториальная аномалия, провалы ионизации, перемещающиеся ионосферные возмущения, различные «пятна» ионизации (patches and blobs), «пузыри» (bubbles), квазиволновые структуры.

Исследование структуры и динамики таких образований представляет большой практический интерес, как с точки зрения геофизики (процессы в околоземной плазме и космическая погода), так и радиофизики (влияние подобных возмущений на распространение радиоволн). Планируется детальное исследование структуры и динамики ионосферных возмущений, вызванных антропогенными факторами, в частности: стартами ракет, взрывами, нагревом ионосферы мощными радиоволнами.

Научная аппаратура:

Состав КНА:

- блок навигационного приемника (БНП-1) с зенитной антенной;

- блок навигационного приемника (БНП-2) с двумя антеннами,

- два блока передатчика (БПР-1 и БПР-2) с тремя антеннами в виде скрещенных полуволновых вибраторов (150, 400 и 1067 МГц).

Ожидаемые результаты:

В результате проведения предлагаемого КЭ и обработки полученного экспериментального материала впервые комбинированным РТ и РЗ методом будут получены следующие результаты:

– данные о структуре сложных естественных ионосферных образований: экваториальная аномалия, провалы ионизации, перемещающиеся ионосферные возмущения, различные «пятна» ионизации (patches and blobs), «пузыри» (bubbles), квазиволновые структуры; – результаты исследования влияния сложных естественных ионосферных образований на процессы в околоземной плазме и распространение радиоволн;

– данные о структуре ионосферных возмущений, вызванных корпускулярной ионизацией частицами солнечного ветра и вспышками на Солнце в период максимума солнечной активности;

– результаты исследования передачи возмущений в системе Солнце – солнечный ветер – магнитосфера – ионосфера в период рост – максимум – спад солнечной активности;

– данные о структуре и динамике ионосферных возмущений, вызванных антропогенными факторами (старты ракет, промышленные взрывы, нагрев ионосферы стендом «Сура»).

Полученные результаты:

 

Сроки проведения: Эксперимент находится на стадии наземной подготовки научной аппаратуры.
Состояние эксперимента: Готовится
Организация постановщик: ФГБУ ИПГ
Организации участники:
Научный руководитель: Лукин Д.С.
Публикации по эксперименту:

Список публикаций в процессе редактирования.

Последнее обновление: 17.11.2017

Информационная справка

Программы

Изображения