научная статья по теме ИОНОСФЕРНЫЕ ФЛУКТУАЦИИ ДЕЦИМЕТРОВЫХ РАДИОВОЛН НА ТРАССАХ СПУТНИК-СПУТНИК Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ИОНОСФЕРНЫЕ ФЛУКТУАЦИИ ДЕЦИМЕТРОВЫХ РАДИОВОЛН НА ТРАССАХ СПУТНИК-СПУТНИК»

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 10, с. 1184-1191

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

УДК 537.87; 621.371

ИОНОСФЕРНЫЕ ФЛУКТУАЦИИ ДЕЦИМЕТРОВЫХ РАДИОВОЛН НА ТРАССАХ СПУТНИК-СПУТНИК

© 2004 г. И. Викерт, О. И. Яковлев, А. Г. Павельев, С. С. Матюгов, Л. Н. Самознаев, В. А. Ануфриев

Поступила в редакцию 21.01.2004 г.

Дан анализ ионосферных флуктуаций амплитуды и фазы дециметровых радиоволн при затменных измерениях на трассах навигационные спутники GPS-спутник CHAMP. Приведены гистограммы распределений среднеквадратичного отклонения амплитуды и фазы, временные ряды их измерений и частотные спектры флуктуаций. Установлено, что сильные флуктуации амплитуды и фазы наблюдаются в полярных областях и в вечернее время в экваториальной зоне. Показано, что флуктуации амплитуды и фазы радиоволн на трассах спутник-спутник отражают динамику мелкомасштабной неоднородности ионосферной плазмы, и это позволяет осуществлять оперативный мониторинг мелкомасштабной неоднородности ионосферы во всех районах Земли.

ВВЕДЕНИЕ

Затменное радиопросвечивание ионосферы и атмосферы с использованием трасс спутник-спутник позволяет получать высотные профили электронной концентрации ионосферы и температуры атмосферы в различных районах Земли. Такое радиопросвечивание сред реализуется, когда один спутник излучает, а на другом спутнике, заходящем за лимб Земли, осуществляется прием радиоволн. Метод затменного определения ионосферных и атмосферных параметров базируется на связи регулярного изменения амплитуды, фазы или частоты, с зависимостью коэффициента преломления от высоты [1, 2]. Регулярные ионосферные изменения амплитуды, частоты и фазы и возможности определения электронной концентрации по данным радиозатменных измерений на трассах спутник-спутник описаны в работах [3-5].

Кроме регулярных изменений параметров сигналов в затменных экспериментах наблюдаются их случайные и квазипериодические вариации, обусловленные случайными неоднородностями сред или волновыми явлениями. Анализ случайных флуктуаций амплитуды и фазы сигналов позволил развить методику затменного исследования статистических неоднородностей коэффициента преломления атмосферы [6-8], а изучение квазипериодических вариаций сигналов дало возможность определить параметры волновых структур в нижней ионосфере и стратосфере [9, 10].

Цель данной работы состоит в анализе закономерностей ионосферных флуктуаций амплитуды и фазы дециметровых радиоволн при затменных измерениях на трассах спутник-спутник. При решении этой задачи нужно получить зависимости от времени и гистограммы распределений интен-

сивности флуктуаций радиоволн в разных районах Земли. Для выяснения характеристик неоднородностей электронной концентрации следует найти частотные спектры флуктуаций амплитуды и фазы и на этой основе определить показатель пространственного спектра и характерные масштабы неоднородностей плазмы.

1. МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ

Изучение ионосферных флуктуаций амплитуды и фазы было проведено с помощью спутника CHAMP, который принимал сигналы навигационных спутников GPS. (Здесь и далее амплитудой сигнала будем называть напряженность электромагнитного поля, а фазой - длину фазового пути в зондируемой среде, т.е. эйконал.) Для исследования флуктуаций амплитуды использовался диапазон ¿1, для которого X = 19 см, а вариации фазы анализировались по данным диапазона ¿2, в котором X = 24 см (X - длина волны). На рис. 1 показана схема проведения экспериментов: точками A и B показано положение спутников CHAMP и GPS, прямая ACB показывает лучевую линию, точка C соответствует участку лучевой линии с мини-

A L1 C L2 B

Рис. 1. Схема исследований флуктуаций радиоволн.

К сравнению частоты появления флуктуаций разных типов на разных широтах п

Район Время суток Слабые флуктуации oa < 2% Тип 1 oa > 2% Тип 2 Тип 3

|±20° | < п < |±75°| День 341 406 12 15

средние широты Ночь 284 456 11 22

-20° < п < 20° День 132 71 2 0

экваториальная область Ночь 71 140 0 0

|±75° | < п полярная область День, ночь 72 155 0 0

мальной высотой над поверхностью Земли H0 = = CD, а центр Земли обозначен точкой O. Скорость изменения высоты лучевой линии V = dH0/dt в сеансах радиопросвечивания ионосферы была равна 1.6—2.5 км, а расстояния AC ~ 2200 км, BC ~ ~ 25750 км. В течение одних суток осуществлялось 200...250 радиозатменных экспериментов, в которых, начиная с высоты H0 = 100.90 км, с частотой 50 Гц регистрировались амплитуда и фаза радиоволн. Подробное описание радиозатменной системы GPS-CHAMP и предварительных результатов исследований дано в [11]. Для анализа ионосферных флуктуаций в каждом сеансе измерений использовались данные регистрации сигналов за временной интервал At ~ 20 с, когда высота H0 уменьшалась от 90 до 40 км. Для выяснения закономерностей ионосферных флуктуаций была проведена обработка данных 2190 сеансов радиопросвечивания ионосферы за период с 14 по 27 мая 2001 г. При радиопросвечивании ионосферы, когда H0 изменяется от 90 до 40 км, наблюдаются небольшие регулярные изменения амплитуды и значительные вариации фазы. Для выделения ионосферных флуктуаций регулярные тренды амплитуды и фазы аппроксимировались полиномами, далее эти тренды вычитались и таким образом получали флуктуации амплитуды ЪЕ и фазы 8ф с нулевыми средними значениями Е и ф. В каждом сеансе измерений получали более 1000 значений как ЪЕ, так и Ъф. Координаты зондируемого района, соответствующие точке C на рис. 1, определяли по траекторным данным спутников GPS и CHAMP. Необходимо подчеркнуть, что лучевая линия ACB проходит через ионосферу на протяженном участке длиной AL. Если принять, что ионосферные флуктуации обусловлены неоднород-ностями электронной концентрации, которые расположены в интервале высот 300.150 км, то AL ~ 3400 км. Затем полученные данные разделяли по районам радиопросвечивания на три группы: для экваториального района, средних широт и полярной области.

2. ХАРАКТЕРНЫЕ ТИПЫ ИОНОСФЕРНЫХ ФЛУКТУАЦИЙ АМПЛИТУДЫ

В связи с большим разнообразием ионосферных флуктуаций амплитуды сеансы радиопросве-

чивания разделяли на три типа. К первому типу относились сеансы радиозатменных измерений, когда на всем интервале времени А? наблюдались случайные флуктуации амплитуды примерно постоянной интенсивности. На рис. 2а приведен пример таких флуктуаций, данные получены 19 мая 2001 г. для экваториального района (5.8° с.ш., 18.9° в.д., местное время 21 ч 50 мин). В этом случае среднеквадратичное отклонение (СКО) флуктуаций амплитуды аа = 14% - это пример сильных регулярных флуктуаций. Второй тип включал данные, когда регистрировались интенсивные флуктуации на коротком временном интервале с ясно выраженным началом и концом эффекта. Пример такого типа флуктуаций приведен на рис. 26. Эти данные получены в тот же день, но для другого района (15.7° с.ш., 117° в.д., местное время 9 ч 56 мин). На рис. 26 видны и слабые регулярные флуктуации амплитуды с аа = 3.4%. К третьму типу мы относили ситуации, когда при Н0 > 70 км ярко проявляются характерные изменения и амплитуды, и фазы. Пример таких вариаций амплитуды приведен на рис. 2в, эти данные получены в 10 ч местного времени в районе 25° с.ш. 176° в.д., при Н0 < < 60 км зарегистрированы очень слабые флуктуации, когда аа = 2.6%. В ряде случаев эффект влияния ионосферных неоднородностей был мал, при этом аа < 2%. Сеансы радиопросвечивания, где были зарегистрированы флуктуации первого типа со значениями аа < 2% соответствовали условию спокойной, невозмущенной ионосферы. В таблице представлены данные о числе сеансов радиопросвечивания, когда наблюдались флуктуации разных типов.

В средних широтах флуктуации разных типов для условий дня и ночи проявляются примерно с одинаковой вероятностью. Из 1547 сеансов радиопросвечивания среднеширотной ионосферы в 40% случаев ионосфера была спокойной, флуктуации практически отсутствовали, а в 56% случаев наблюдались флуктуации первого типа умеренной интенсивности. Флуктуации второго и третьего типа наблюдались всего в 4% случаев зондирования ионосферы.

В экваториальной области флуктуации в условиях дня и ночи отличаются сильно: ночью частота появления флуктуаций первого типа с аа > 2%

Е, отн. ед.

1.2 1.0 0.8

1.4

(б)

¡Ж

1.0

0.6

(в)

90 У ^ 80 70 60 50 40 Я0, км

Рис. 2. Примеры ионосферных флуктуаций амплитуды (данные получены 19 мая 2001 г.).

примерно в два раза выше, чем днем. Интенсивные флуктуации первого типа, с аа > 10%, наблюдаются только в ночное время. За исследованный период ночная экваториальная ионосфера была спокойна и флуктуации с аа < 2% были отмечены в 34% сеансов радиопросвечивания; возмущения в ионосфере, при которых регистрировались флуктуации первого типа, наблюдалась в 66% сеансов измерений. Флуктуации второго типа в экваториальной области были зарегистрированы только в двух сеансах, а вариации третьего типа отсутствовали.

При анализе результатов радиопросвечивания полярной ионосферы не делалось различия усло-

вий дня и ночи. Из таблицы следует, что в полярной области наблюдались только флуктуации первого типа. За исследованный интервал времени было осуществлено 227 радиозондирований полярной ионосферы. В 32% случаев ионосфера была спокойна, аа < 2%, а в 68% зарегистрированы сильные флуктуации первого типа.

3. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФЛУКТУАЦИЙ АМПЛИТУДЫ

При определении статистических характеристик флуктуации амплитуды радиоволн с X = 19 см вычислялись значения среднеквадратического от-

клонения аа и частотные спектры флуктуаций Оа(Р) (Р - частота флуктуаций). Частотные спектры ионосферных флуктуаций Оа(Р) получаются достоверными при флуктуациях с аа > 7%. На рис. 3 представлены гистограммы распределения аа для экваториальной области и средних широт, данные получены в ночное время суток, от 21 до 1 ч местного времени. Гистограммы аа для средних широт по данным дня и ночи совпадают. Из таблицы и рис. 3 следует, что в средних широтах только в 7% сеансов зондирования ионосферы наблюдаются умеренные флуктуации амплитуды с аа ~ ~ 8.14%. Для экваториальной области в начале ночного времени характерно появление сильных флуктуаций: в 1

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком