Коррекция модели ионосферы по данным спутникового радиозондирования со сверхнизких орбит

В настоящее время радиозондирование (проводимое как при помощи наземных ионосферных станций, так и при помощи ионозондов на борту космических аппаратов) является методом, позволяющим эффективно вести мониторинг состояния ионосферы. Полученные данные используются как для решения практических задач (таких, как расчет условий распространения радиоволн для целей KB и УКВ радиосвязи), так и для теоретических исследований, направленных на изучение процессов, протекающих в ионосфере.

Помимо непосредственно самих результатов радиозондирования, для анализа состояния ионосферы широко практикуется использование ионосферных моделей. Данные модели представляют собой совокупность экспериментальных данных наблюдения за ионосферой, зависимостей ионосферных параметров от различных величин (координат, времени, солнечной активности и др.), основанных на некоторых усредненных закономерностях изменений этих параметров, и теоретических изысканий. Разумеется, использование одних лишь ионосферных моделей (которые в первом приближении представляют собой некоторые усреднения ионосферных параметров) при решении различного вида задач, может привести к значительным ошибкам в расчетах и неверному представлению о процессах в ионосфере.

Поэтому для проведения эффективного мониторинга целесообразно использовать адаптацию ионосферных моделей данными непосредственных измерений, полученных, в частности, при помощи радиозондирования. Результатом такой адаптации может быть создание карт, например критической частоты слоя F2 (f0F2). Такие карты уже дано используются как в геофизических исследованиях, так для нужд KB и УКВ радиосвязи для расчета условий распространения радиоволн.

Благодаря развитию современных средств телекоммуникации данные вертикального радиозондирования ионосферы наземными ионозондами различных стран становятся доступны в режиме реального времени. В качестве примера реализации подобной системы можно отметить проект WDC (World Data Centre), являющийся одним из источников данных наземного радиозондирования в настоящей работе. Данный проект включает в себя 52 наземных станции в различных частях планеты, которые ведут круглосуточное вертикальное радиозондирование и предоставляют его результаты в сети Интернет как в цифровом формате, так и в виде непосредственных ионограмм с минимальной временной задержкой. Использование подобных данных совместно с ионосферной моделью в заданном регионе способно значительно повысить прогностические свойства модели и дать более актуальное представление о состоянии ионосферы в рассматриваемой области.

Помимо наземного радиозондирования, в настоящей работе также используются данные уникального эксперимента, выполненного на орбитальной станции (ОС) «Мир» в 1999 г. Особенность этого эксперимента заключается в том, что радиозондирование на ОС проводилось с высот, примерно соответствующих максимуму слоя F2, а непосредственно сама высота максимума определялась с беспрецедентной точностью. Благодаря этому обстоятельству можно ожидать, что коррекция ионосферной модели, выполненная по совместным данным радиозондирования с земли и с ОС «Мир» будет особенно эффективна.

Целью настоящей работы являлось изучение региональной адаптации ионосферной модели, её возможностей, достоинств и сравнительных характеристик как в случае использования отдельных данных наземного и спутникового радиозондирования, так и при совместном их рассмотрении. В качестве ионосферной модели была выбрана эмпирическая модель IRI, как наиболее разработанная, часто используемая и периодически обновляемая, а значит и наилучшим образом подходящая для данного исследования. В связи с поставленной целью решались конкретные задачи:

1. Выбор метода адаптации модели IRI (был выбран метод кригинга).

2. Разработка техники использования метода кригинга применительно к условиям задачи региональной коррекции модели IRI. В частности, создание метода построения карт критической частоты.

3. Создание карт критической частоты для различных регионов отдельно по ионограммам орбитальной станции «Мир», по ионограммам наземных станций, входящих в проект WDC и по совместным данным.

4. Реализация данного метода в виде программного обеспечения и разработка алгоритма проведения расчетов при региональной коррекции.

5. Разработка методики оценки эффективности использования при коррекции данных радиозондирования путем сравнения отклонения экспериментальных данных от модели до и после проведения коррекции, а также расчет коэффициента корреляции между массивами скорректированных и исходных данных с целью получения оценки статистической тесноты связи между массивами экспериментальных и модельных критических частот до и после проведения коррекции.

6. Изучение структуры ионосферных макронеоднородностей по картам критической частоты, построенным по совместным ионограммам с ОС «Мир» для отдельных регионов в Северном и Южном полушарии.

Научная новизна. Предложен метод построения оперативных карт пространственного распределения критической частоты в ионосфере, основанный на базе метода кригинга и данных ионосферной модели IRI, данных радиозондирования наземных станций и ОС «Мир». Основным отличием использованного метода явилось использование при построении экспоненциальных коэффициентов, позволяющее избежать проблем, связанных с переходом на границе между скорректированной и нескорректированной областями, что необходимо в частности, при исследовании ионосферных неоднородностей.

1. По ионограммам с ОС «Мир» получены зависимости критической частоты от географического расположения станции. На основе проведенного анализа данных зависимостей выполнены построения скорректированных карт критических частот в тех областях, где выявлено наибольшее расхождение между моделью и реальным состоянием ионосферы.

2. Представлены карты критической частоты как по данным спутникового и наземного радиозондирования отдельно, так и по совместным данным.

3. Выполнена оценка статистической тесноты связи между массивами реальных и модельных критических частот до и после проведения коррекции, а также произведена оценка изменения коэффициента корреляции.

Личный вклад соискателя. Автор разработал технику применения метода кригинга, который обычно используется в задачах радиофизики для расчета критической частоты в серединной точке односкачковой радиотрассы, применительно к построению региональных карт faF2 ионосферы.

Построил региональные карты критических частот отдельно по данным радиозондирования с ОС «Мир», от сети наземных ионосферных станций и по совместными данным.

Провел численную оценку точности использованного метода.

Выполнил программную реализацию метода кригинга в виде приложения, работающего с форматом данных, поставляемых моделью IRI.

Положения, выносимые на защиту. Методика построения региональных карт критической частоты с использованием данных модели IRI, адаптированной при помощи метода кригинга результатами наземного и спутникового радиозондирования.

1. Оценка эффективности применения адаптации модели IRI как отдельно по наземным и спутниковым данным, так и по совместным данным.

2. Региональные карты критической частоты, построенные по данным ОС «Мир» и сети наземных станций WDC, а также при совместном их рассмотрении.

3. Размеры и структура ионосферных макронеоднородностей, полученных при использовании разработанной методики по данным ОС «Мир», а также по совместным с результатами наземного радиозондирования данным.

Практическая значимость работы. Практическая значимость определяется следующими факторами:

• Созданием метода коррекции ионосферной модели, объединяющего результаты наземного и спутникового радиозондирования для использования в целях оперативного мониторинга состояния ионосферы.

• Созданием программного обеспечения, совместимого с существующим программным обеспечением модели IRI, позволяющего проводить все необходимые для построения карт расчеты.

• Региональными картами критической частоты, которые могут использоваться как для расчета радиотрасс, так и в геофизических исследованиях.

Обоснованность и достоверность полученных результатов.

Достоверность результатов обеспечивается строгой математической постановкой решаемой задачи, адекватностью хорошо проверенной математической модели ионосферы IRI, высоким качеством использованных ионосферных данных о параметрах вблизи максимума области F, а также проведенной статистической оценкой эффективности метода коррекции.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях молодых ученых «Проблемы гелиогеофизики и охрны окружающей среды» (г. Москва, 2004), «Проблемы прикладной экологии и гелиогеофизики» (г. Москва, 2005), «Проблемы гелиогеофизики и экологии» (г. Москва, 2006), на Второй конференции молодых ученых национальных гидрометеослужб государств-участников СНГ «Новые методы и технологии в гидрометеорологии» (г. Москва, 2006), а также в научных статьях «Коррекция ионосферных моделей непосредственными измерениями» в журнале «Электросвязь» и «Региональная коррекция модели IRI по данным радиозондирования ионосферы с пилотируемой космической станции «Мир» в журнале «Геомагнетизм и Аэрономия».

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из пяти глав, заключения и приложения. В ней содержится 145 страниц, 29 рисунков и 12 таблиц.

Список литературы

содержит 102 наименования.

Выводы по главе 5.

В настоящей главе рассмотрен метод кригинга при использовании совместных данных спутникового и наземного радиозондирования. Чтобы подтвердить обоснованность использования обоих типов данных приводится сравнительный анализ ионограмм, полученных с ОС «Мир», когда станция пролетала непосредственно над ионосферной наземной станцией, расположенной в Чилтоне, Англия. Результаты данного анализа, представленные в настоящей главе, а также данные аналогичных работ, проводившихся ранее, свидетельствуют об идентичности получаемых экспериментальных данных при использовании обоих типов радиозондирования. В частности показано, что критическая частота определяется корректно как при зондировании днем, так и ночью. Это дает основания для использования метода кригинга по совместным данным.

В пятой главе описаны результаты двух численных экспериментов, проведенных в Южном полушарии, в районе Австралии. Первый из них был реализован при участии экспериментальных результатов от 5 наземных станций, а также с использованием 15 ионограмм со станции «Мир». Последовательно получены три скорректированные карты критических частот: по данным наземного, спутникового и совместного радиозондирования. Проведена стандартная процедура оценки метода с последовательным исключением из рассмотрения каждой из экспериментальных точек, описанная в предыдущих главах, результаты которой показали снижение относительного отклонения экспериментальной частоты от модельной с 11,2% до 6,7% после проведения коррекции модели методом кригинга.

По данным совместного радиозондирования на скорректированных по совместным данным картах критической частоты выявлено ионосферное возмущение положительного знака, которое как показано, невозможно было бы обнаружить, используя исключительно данные наземного радиозондирования. Произведена оценка характерных размеров наблюдавшегося возмущения, которые составили величину от 500 до 1500 км исходя из экспериментальных данных, и величину около 1200 км исходя из построенных карт критической частоты. Градиент критической частоты составил.

1*10° МГц/км.

Помимо карт и обычной оценки, была проведена дополнительная проверка точности используемого метода путем одновременного исключения из рассмотрения около половины экспериментальных данных. Результаты подобной проверки показали, что отличие расчетных данных, скорректированных по всем имеющимся точкам от данных, скорректированных лишь по половине, составило в среднем 1%, то есть исключение значительного числа экспериментальных данных практически никак не повлияло на результаты коррекции.

Второй рассмотренный эксперимент также проводился в Южном полушарии, и для его проведения были использованы 17 ионограмм спутникового и 6 ионограмм наземного радиозондирования от различных станций. Были построены три карты критической частоты отдельно по данным каждого радиозондирования и по совместным данным. Проведенная оценка достоверности показала снижение относительного отклонения реальной критической частоты от модельной с 18% до 4% после проведения коррекции. Благодаря относительно «равномерному» характеру входных данных, на скорректированных картах не было отмечено принципиально новых деталей, подобных наблюдавшимся в первом эксперименте.

Еще одним этапом оценки используемого метода стал проведенный корреляционный анализ. Суть его заключалась в расчете коэффициента корреляции между множествами значений, в качестве которых выступили экспериментальные данные и данные о критической частоте, взятые из модели IRI, до и после проведения коррекции соответственно. На основе рассчитанных коэффициентов проводилась оценка тесноты статистической связи между двумя указанными методами при помощи критерия Чеддока. Проведенные вычисления показали, что теснота связи в первом эксперименте.

31 марта 1999 г.) характеризовалась как заметная (коэффициент корреляции 0,5) до и как высокая (коэффициент корреляции 0,8) после проведения коррекции. Для эксперимента 1 апреля 1999 г. Эти значения составили соответственно 0,8 и 0,9, что соответствует высокому и весьма высокому уровню связи.

Все приведенные в настоящей главе результаты расчетов и численных оценок свидетельствуют о том, что при использовании метода кригинга по совместным данным, возможно добиться уменьшения отклонения расчетных значений от реальных в два-три раза в среднем, что увеличит тесноту связи между экспериментом и результатами коррекции. Также немаловажным является показанная возможность использования метода в условиях ограниченного количества входных данных, что не является редкостью при решении практических задач радиосвязи.

Заключение

.

Создание оперативной модели ионосферы на сегодняшний день представляет собой одну из наиболее важных задач при изучении околоземного пространства. Необходимость подобной задачи диктуется как практическими соображениями — потребностью в устойчивой KB и УКВ радиосвязи, которая на сегодняшний не может быть обеспечена в отсутствие оперативного прогноза состояния ионосферы в требуемом регионе, так и научными изысканиями, направленными на изучение различных процессов, протекающих в ионосфере. В практическом плане особенно важным представляется прогноз критических частот, поскольку они используются при расчетах МПЧ в точках скачков на радиотрассах.

Настоящая работа представляет собой исследование по данному вопросу, итогом которого стали обобщенные и изложенные ниже результаты и выводы:

1. Проведен анализ и сравнение существующих на сегодняшний день моделей ионосферы, методов радиозондирования и возникающих ионосферных возмущений с целью определения базовых элементов системы оперативного прогноза критических частот в заданном регионе. В результате проведенного анализа в качестве основы оперативной модели ионосферы была выделена ионосферная модель IRI. На сегодняшний день модель IRI представляет собой наиболее полную модель ионосферы. Это обеспечивается многими факторами, среди которых стоит отметить периодические обновления и изменения, вносимые в модель, поддерживающие её в актуальном состоянии, удобная программная реализация модели, позволяющая производить вычисления и получать результаты в виде широко используемых форматов данных. Все эти, а также многие другие факторы делают модель IRI наиболее часто используемой в научных и практических целях.

В качестве метода получения экспериментальных данных рассмотрен метод радиозондирования, производимого как с наземных станций, так и с борта космических аппаратов. Этот метод наиболее полно отражает физическую реальность условий распространения и отражения радиоволн в ионосфере, он наиболее разработан, изучен и проверен, накоплена большая база данных о состоянии ионосферы в различных регионах, в различное время года, а так же при различной активности Солнца. В сети Интернет имеется база данных экспериментальных измерений от большого числа наземных ионосферных станций, доступ к которым является свободным, что обеспечивает исследователя достаточным объемом экспериментального материала.

Ещё одним аспектом, освещенным в связи с созданием системы оперативного прогнозирования критических частот, явился обзор ионосферных неоднородностей. Это связано с тем, что подобные возмущения оказывают наибольшее влияние на точность оперативного прогноза в силу трудности их учета и оценки воздействия, оказываемого данным типом явлений.

2. Обоснована необходимость использования оперативного прогноза критических частот на базе данных модели IRI и результатов наземного и спутникового радиозондирования. Основанием для этого послужила оценка точности определения ионосферных параметров при помощи модели IRI, выполненная автором настоящей работы, а также анализ литературных источников, посвященных использованию прогнозов состояния ионосферы для целей КВ-радиосвязи. В частности, исследовалось отклонение прогнозируемой при помощи модели IRI плазменной частоты от той, что была зафиксирована на ОС «Мир» во время эксперимента в 1999 г. Сравнение показало, что отличие реально наблюдавшейся частоты от модельной составило величину от 10% до 60%, при этом в 3 из 14 экспериментальных серий наблюдалось «катастрофическое», то есть более 30% отклонение. Анализ работ других авторов, посвященных влиянию погрешности ионосферных моделей на надежность радиосвязи выявил, что при использовании только ионосферной модели в качестве источника ионосферных параметров, срывы радиосвязи наблюдаются около 20% общего времени. Приведенные оценки наглядно демонстрируют необходимость использования скорректированных ионосферных моделей в целях оперативного прогноза.

3. Разработана методика коррекции ионосферной модели IRI по данным наземного и спутникового радиозондирования, основанная на интерполяционном методе кригинга, практической реализацией которой являются получаемые региональные карты критической частоты. Показана невозможность использования метода кригинга напрямую в задаче коррекции ионосферной модели IRI, связанная с трудностями при переходе от скорректированным к некорректированным областям, что становится особенно актуально при наличии в зоне радиозондирования ионосферных возмущений. В связи с отмеченными трудностями, автором работы были внесены изменения в оригинальный метод кригинга, а именно:

Введены дополнительные экспоненциальные множители и коэффициенты, позволяющие избежать резкого перехода на границе модель/расчетные данные, а также позволяющие ввести взвешенный учет влияния каждой из экспериментальных точек в зависимости от расстояния до этой точки.

— Создана и описана методика расчетов коэффициентов коррекции, позволяющая на основе входных данных подобрать коэффициенты, наиболее соответствующие характеру ионосферы в заданном регионе.

— Методика программно реализована в виде приложения, позволяющего производить расчеты данных для построения региональных карт критических частот на основе данных наземного и спутникового радиозондирования и совместимого с форматом данных, поставляемых программным обеспечением модели IRI. Произведен отбор источников экспериментальных данных, которые будут использоваться в целях оперативного прогноза. В качестве последних предложена сеть ионосферных станций, объединенных в проект WDC. На сегодняшний день этот проект является наиболее актуальным источником данных наземного радиозондирования от сети станций, расположенных в различных точках земного шара. Информация от станций поступает в сеть Интернет с минимальными временными задержками и доступны широкому кругу пользователей.

Предложенная методика была использована при анализе четырех серий ионограмм с ОС «Мир». Анализ карт критической частоты, полученных в результате коррекции ионосферной модели по данным с ОС «Мир», подтвердил актуальность методики построения, подтверждением чему является ряд полученных результатов. При коррекции использовались как серии ионограмм, в которых наблюдалось явление ЗНС (Задержанного Нижнего Следа), так и серии без него. На скорректированных картах ионосферные возмущения были выявлены только там, где и предполагалось наличие неоднородности в зоне радиозондирования, приводящей к появлению ЗНС. Важным обстоятельством является то, входные данные по своему характеру не различаются ни в случае с ЗНС, ни в случае без него.

Ещё одрим подтверждающим актуальность фактором служат параметры неоднородности, рассчитанные при помощи карт скорректированных критических частот для случая 5 мая 1999 г. Размеры неоднородности составили около 2000 км по широте и около 4500 км по долготе, а скорость движения — около 1400 км/ч. Данные характеристики возмущения хорошо согласуются с оценками, полученными независимыми авторами при проведении ими работы по изучению неоднородностей сейсмогенного характера, зафиксированных на ОС «Мир».

4. Произведена оценка точности использованной методики на основе данных от сети наземных ионосферных станций. Анализ проводился по двум группам станций, одна из которых расположена в Южном, а другая — в Северном полушарии. Численные результаты проведенных расчетов показали, что использование метода кригинга для коррекции модели IRI позволило снизить отклонение прогнозируемого моделью значения критической частоты от модельной с 27,4% до 6,7% в одном и с 28,3% до 18,7% в другом случае.

5. Проведена региональная коррекция ионосферной модели IRI по совместным результатам наземного и спутникового радиозондирования, для чего в качестве обоснования использования подобного типа данных были приведены результаты сравнения критической частоты, полученной ОС «Мир» во время её пролета над станцией в Чилтоне и непосредственно на самой наземной станции.

Использование совместного типа данных позволило выявить и рассчитать характеристики ионосферной неоднородности, обнаружить которую, пользуясь только результатами наземного радиозондирования, было бы невозможно. Неучет подобного возмущения, например, при расчете МПЧ в данной области, мог бы привести срыву радиосвязи, поскольку реальная критическая частота отличалась от модельной на 30%. Данный факт, а также изменения на картах критической частоты, построенных после коррекции, еще раз подтверждают необходимость проведения оперативной коррекции модели IRI перед ее использованием в практических задачах.

По данным совместного радиозондирования была также проведена аналогичная оценка точности используемого метода, показавшая снижение относительного отклонения реальной критической частоты от модельной с 11,2% до 6,7% в одном и с 18% до 4% в другом рассмотренном эксперименте после проведения коррекции.

Также была проведена статистическая оценка результатов коррекции, основанная на расчете коэффициента корреляции между массивами реальных и модельных критических частот до и после проведения коррекции и последующей классификации тесноты связи на основе критерия Чеддока. Так, по результатам расчетов, в одном случае теснота связи возросла с заметной до высокой, а в другом с высокой до весьма высокой.