Исследования возмущений ионосферы методами GPS-интерферометрии

• Автор: Зиенко, Андрей Станиславович
• Шифр специальности: 25.00.29
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 157 с. : ил.

Введение

Глава 1. Неоднородные структуры в ионосфере

1.1. Параметры ионосферных неоднородностей

1.2. Механизмы формирования неоднородностей

1.3. Акустико-гравитационные волны как причина_ионосферных

возмущений

1.4. Классификации неоднородных структур в ионосфере

Глава 2. GPS- интерферометрия как развитие методик диагностики

неоднородностей ионосферы

2.1. Методы дистанционной диагностики ионосферы

2.2. Влияние ионосферных неоднородностей на распространение

спутниковых сигналов
2.3. Использование сигналов GPS для исследования ионосферы
2.4. Определение параметров ПИВ при использовании GPS- данных. 43 ГЛАВА 3. Анализ вейвлет-спектров сигналов системы GPS
3.1. Вейвлет-спектры временных последовательностей
3.2. Исследование статистического подхода и его характеристик
при анализе вейвлет-спектров
3.3. Применение вейвлет-анализа к данным GPS
3.4. Основные результаты Главы
Глава 4. Основные результаты исследований
4.1.. Общая характеристика используемых геофизических данных
4.2. Общая характеристика наблюдательных GPS подсетей
4.3. Влияние геомагнитных условий на волновую активность
4.4. Волновой спектр ионосферных неоднородностей
4.5. Анализ ионосферных возмущений в октябре - ноябре 2003г
4.6. Влияние геомагнитных условий на структуру GPS- сигналов
4.7. Краткие итоги главы
Заключение
Литература
ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение.
Актуальность работы.
Наличие неоднородных структур в атмосфере и ионосфере Земли является типичным состоянием этих сред и связано с широким кругом явлений. Во-первых, речь идет о целом многообразии процессов, протекающих на Солнце и в околоземном космическом пространстве (ОКП) и приводящих, например, к магнитным бурям. Совокупность явлений, связанных с ОКП и солнечно-земными взаимодействиями часто собирательно называют космической погодой. Вместе с тем, ионосфера как часть атмосферы является индикатором различных процессов и в системе «планета Земля — атмосфера», например, тайфунов, циклонов, землетрясений и проч. Под термином «неоднородные структуры» ионосферы и атмосферы здесь и ниже понимается отклонение параметров ионосферной плазмы (концентрация, электронная и ионная температура и т.п.) и атмосферных полей температуры, давления, влажности от средних, равновесных значений для данного сезона, времени суток, высоты и геомагнитных условий в силу различных, в том числе и флуктуационных, процессов.
Таким образом, ионосфера является уникальной средой для эффективного выделения и изучения возмущений различной природы. В самом деле, появление в ионосфере неоднородностей приводит к изменению условий распространения радиоволн, используемых для исследовательских, связных и навигационных приложений. Изучая характеристики параметров зондирующих трансионосферных сигналов возможно, изучать изменения в состоянии атмосферы и ионосферы, а изменение количества регистрируемых феноменов, например, неоднородностей, связанных с ними сбоев и проч., может быть индикатором определенных процессов в изучаемых средах. Научный интерес к проблеме исследования ионосферных возмущений и причин их появления обусловлен еще и тем, что воздействия магнитных бурь, солнечных вспышек и
т.п. можно трактовать как активные эксперименты в атмосфере-ионосфере Земли и использовать для решения целого ряда задач физики ионосферы, ионосферного распространения радиоволн и т.д. без вмешательства в нашу среду обитания, т.е. проведения активных экспериментов.
Такая постановка задачи важна не только для исследовательских задач радиозондирования в физике атмосферы, ионосферы и околоземного пространства, но и для различных радиофизических приложений. Прикладной радиофизический аспект обусловлен влиянием неоднородных структур на распространение радиоволн в широком диапазоне длин волн (от сотен метров до десятков сантиметров), используемых в радиосвязи, радиолокации, радионавигации и радиоастрономии.
Отметим, что неоднородности в ионосфере, наряду с флуктуационной природой, в ряде случаев имеют и волновые характеристики разных пространственно-временных масштабов, являющихся индикаторами
всевозможных динамических процессов в ионосфере [1-21]. Между тем, механизмы образования и свойства этих структур изучены и теоретически, и экспериментально недостаточно, несмотря на все успехи последних десятилетий, например, интерпретация наблюдаемой крайне сложной интерференционной картины и полученных результатов неоднозначна в связи с комплексностью указанной проблемы.
Таким образом, исследование структуры и динамики ионосферных структур и перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ) квазиволнового типа в связи с геомагнитной и солнечной активностью, является актуальной задачей физики атмосферы Земли и радиофизики, поскольку эти возмущения являются проявлением атмосферных внутренних и акустико-гравитационных волн (ВГВ и АГВ соответственно), дающих существенный вклад в общую динамику и энергетику верхней атмосферы [7, 14]. Уникальность ситуации связана с тем, что причиной появления волнового возмущения в ионосфере могут быть различные
Наблюдение фазы сцинтилляции на отдельном GPS сигнале затруднено из-за многолучевости сигналов и того, что более сильные амплитудные сцинтилляции присоединяются к фазовым. Экспериментально наблюдалось до 8 радианов (!) флуктуаций в фазе сцинтилляций, усредненных по частоте осуществления выборки [10,35]. Самая большая зарегистрированная скорость изменения амплитуды разности фаз при фазовых измерениях в двойной разности L1-L2, составляла 14 радианов за 30 секунд. Это - пример фазового сбоя (ошибка определения координат системой GPS в этом случае не нормирована). Ряд исследователей связывает потерю фазы в указанной комбинации с потерей фазы на частоте L2, в частности из-за того, что на этой частоте излучаемая мощность на 6 dB меньше, чем на частоте L1 [21, 25,35].
По результатам наблюдений за типичными фазовыми сцинтилляциями разности L1-L2, последние происходят на частоте меньше чем 1 IIz [10,11]. Иначе говоря, ионосферные сцинтилляции сигнала несут информацию о самих ИН как результат интерференции. Применение степенного закона для частоты для фазовых сцинтилляций в 10 Hz приводит к оценке пиковых флуктуаций, достигающих менее 1 рад дЛя сильно возмущенных условий [21,25,35]. Вероятность фатальных сбоев фазы составляет порядка 2,5% в магнитоактивных условиях и менее 0,1% в спокойных условиях и зависит от LT [21]. Отметим, что в экваториальной зоне средняя вероятность сбоев даже в магнитоспокойный день может составить порядка 1,5% [21]. Средняя дисперсия флуктуаций фазы (усреднение 60 сек) составляет в спокойных условиях не более 0,1 рад, что связано с выбором рабочих частот с учетом турбулентности в диапазоне волновых чисел, сосредоточенных вокруг к ~ 30 ш'1 (А. ~ 0.2 м, f ~ 1.5 GHz). При магнитных бурях дисперсия фазы может возрастать почти на порядок.
Рис. 1.2 показывает результаты ракетных измерений спектральной мощности сцинтилляций в авроральных широтах по данным [11 а)]. Видно, что указанный спектр имеет пики, соответствующие некоторым выделенным