ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2008, № 2, с. 14-20
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
УДК 528.813
ИССЛЕДОВАНИЕ ИОНОСФЕРНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ МЕТОДОМ
ФАЗОРАЗНОСТНОЙ ТОМОГРАФИИ В ДАЛЬНЕВОСТОЧНОМ РЕГИОНЕ РОССИИ © 2008 г. А. А. Романов*, С. В. Трусов, А. А. Романов, В. Г. Крючков
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский научно-исследовательский институт
космического приборостроения", Москва *Е-таИ: romulas@mail.ru Поступила в редакцию 05.06.2007 г.
Представлены первые результаты исследования ионосферы в дальневосточном регионе России цепочкой томографических станций, расположенных в меридиональном направлении вдоль о. Сахалин в городах Южно-Сахалинск, Поронайск, Ноглики. Приводятся результаты численного эксперимента, которые обосновывают выбор точек установки томографических станций и размерности сетки пространственного распределения электронной концентрации, основных параметров, используемых при решении задачи реконструкции вертикального распределения электронной концентрации. Проведенный анализ полученных результатов — вертикальных разрезов электронной концентрации ионосферы над территорией дальневосточного региона подтвердил правильность выбранных параметров реконструкции. На вертикальном высотном разрезе электронной концентрации от 11.01.2006 г. выявлены неоднородности ионосферы, предположительно сейсмогенного характера.
ВВЕДЕНИЕ
В последние несколько десятилетий происходит бурное развитие различных методов дистанционного зондирования (ДЗ) ионосферы и использование результатов этих исследований в различных сферах жизнедеятельности человека.
Одним из основных приложений ионосферных исследований является мониторинг возмущений в ионосфере, связанных с землетрясениями, извержениями вулканов, сильными взрывами, атмосферными грозами и пр. [1]. В соответствии с [2, 3] в ионосфере можно зарегистрировать акустико-гравитационные волны (АГВ), источником которых являются перечисленные выше природные явления. К тому же, существует мнение, что АГВ могут генерироваться даже перед серьезными землетрясениями, как предвестник данной катастрофы [4].
Поскольку в атмосфере плотность экспоненциально уменьшается с высотой, амплитуда АГВ может серьезно возрасти к верхним слоям атмосферы и вызвать существенные аномалии в распределении нейтральных и заряженных частиц в ионосфере. Аналогичные возмущения могут также возникнуть в вертикальном распределении температуры над поверхностным источником возмущения [5].
Несмотря на наличие большого числа работ, показывающих возможность регистрации ионосферных предвестников землетрясений, т.е. сигнатур распространения АГВ [3, 6—8], и относи-
тельную дешевизну регистрирующих данные возмущения систем, — до недавнего времени в сейсмоопасных регионах России не было развернуто цепочек томографического зондирования ионосферы, при помощи которых можно зарегистрировать высотный профиль электронной концентрации ионосферы и, следовательно, фронт распространения АГВ.
Ниже приводится описание экспериментальных работ, осуществляемых на территории о. Сахалин по регистрации высотных разрезов электронной концентрации, автоматизированной системы регистрации и первичной обработки данных ДЗ ионосферы, а также результатов ионосферного зондирования, полученных впервые для исследуемого региона.
МЕТОД ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
Для томографического исследования ионосферы был использован программно-аппаратный комплекс, подробно описанный в [9, 10], и сигналы навигационных ИСЗ типа "Космос-2407".
Задача томографической реконструкции относится к классу обратных задач. Суть ее состоит в том, чтобы по набору измеренных интегральных характеристик среды (полному электронному содержанию вдоль луча распространения сигнала в ионосфере) восстановить функцию пространственных переменных (М) в некоторых узлах
сетки (внутреннюю структуру распределения электронов в ионосфере). Интегральной характеристикой при радиопросвечивании ионосферы является полная фаза радиосигнала, пропорциональная полному электронному содержанию ионосферы вдоль распространения луча зондирования, однако физически измеряется только фаза в пределах 2я, а количество полных циклов неизвестно. Отсюда возникает проблема выделения начальной фазы сигналов, излучаемых спутником. Для решения данной проблемы авторами [9] был предложен метод фазоразностной томографии, суть которого состоит в использовании производной фазы (последняя не содержит неизвестную постоянную константу, соответствующую начальной фазе сигнала), при этом отпадает необходимость в определении неизвестной постоянной.
Набор измерений интегральной характеристики позволяет сформировать систему алгебраических уравнений, для решения которой могут быть использованы различные методы. В данной работе при численном моделировании результатов эксперимента использовался алгоритм ART [11], а для реконструкции реальных данных использовался Байесовский подход к решению задачи томографии [2, 12].
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
Поскольку метод томографической реконструкции применялся для восстановления высотного разреза электронной концентрации ионосферы в дальневосточном регионе России впервые, было необходимо осуществить модельные исследования для определения оптимального географического размещения томографических установок.
Пространственная ориентация о. Сахалин, на территории которого проводится эксперимент, является очень удачной для осуществления томографических экспериментов. Остров расположен практически в меридиональном направлении. Следовательно, спутники типа "Космос-2407" с наклонением в 82° практически идеально подходят в качестве источника когерентного сигнала на частотах 150/400 МГц.
В качестве опорной точки для расположения первой станции выбран г. Южно-Сахалинск. Основной задачей численного эксперимента было определение оптимального расположения приемных томографических установок сигналов низкоорбитальных навигационных аппаратов для территории о. Сахалин, начиная с юга острова.
Решение обратной задачи томографии в соответствии с [2, 11] сводится к нахождению распределения электронного содержания в ионосфере
путем распределения имеющихся интегральных содержаний вдоль оптического пути каждого луча среди элементов, на которые разбивается зондируемая область ионосферы. Исходными данными для решения задачи являются данные о разности фаз зондирующих сигналов, координатах начала и конца оптического пути зондирующего сигнала. Из этих данных определяется область ионосферы, для которой имеются данные радиотомографического зондирования. Определенная таким образом область ионосферы разбивается на прямоугольные элементы, которые образуют непрерывную сетку размерностью т х п. Приняв электронное содержание в элементе сетки постоянным, и постулировав, что вклад содержания электронов в данном элементе в общую интегральную характеристику луча пропорционален оптическому пути через этот элемент, можно вычислить электронное содержание для всех элементов, через которые прошли радиосигналы.
Длину пути 1-го луча (оптического пути радиосигнала) по у-му элементу сетки (неизвестная электронная концентрация в этом элементе сетки ху) обозначим через ау. Измеряемое приемником полное электронное содержание 1-го луча, обозначаемое через у, представляет собой линейный интеграл неизвестной функции электронного содержания вдоль этого луча. При использовании дискретной модели этот линейный интеграл преобразуется в конечный ряд. Таким образом, для всего набора измерений справедлива следующая система линейных уравнений:
X xJaij - y^ j=i
i = 1, 2,
m,
или в матричной форме
y — Ax,
где y = (y) e Rm — вектор измерений; Rm — m-мер-ное евклидово пространство; х = (х) e Rn — вектор элементов изображения; A = (a ¡) — матрица проекций размерностью m х n.
Для решения данной системы уравнений с помощью алгоритма ART (Algebraic Reconstruction Technique) используется следующая итерационная процедура, где к — номер итерации.
Начальное приближение
х0 e Rn выбирается произвольно,
к-я итерация
, i kx k +1 к yt - { a, x ) i x = x + i .. 4 .. 1—'-a ,
12
a
n
Высота, км 1000
800
600
400
200
N0 х108 эл/м 0
1.250Е5 2.500Е5 3.750Е5 5.000Е5 6.250Е5 7.500Е5 8.750Е5 1.000Е6
1000
800
600
400
200 -
35 40 45 50 55 60 65 б
N0 х 108 эл/м
0
6.2501 1.2501 1.8751 2.5001 3.1251 3.7501 4.3751 5.0001
35 40
45
1000
800
600
50 в
55
60
65
400-
200
N0 х 108 эл/м3
0
1.250Е5 2.500Е5 3.750Е5 5.000Е5 6.250Е5 7.500Е5 8.750Е5 1.000Е6
35 40 45 50 55 60 Широта, град
65
а
Рис. 1. Результаты численного моделирования по восстановлению высотного разреза для территории о. Сахалин. Сплошными линиями на частях рис. а и б отмечена область, занимаемая реконструкцией.
Ширина, град 70 г
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
1.11.2006
NG-. PO YK *
140
145 150
Долгота, град
155
Рис. 2. Траектория спутника, местоположение приемных пунктов и участок траектории спутника, измерения в которых использовались для реконструкции.
где {a1, xk) - скалярное произведение:
/ i к\ {a , х )
El к "Л,
J = 1
Фаза, град 220 200 180
240 220 200 180 160
ГО
NG
и \ \а1\\2 — евклидова норма {а1, а1).
Результаты численного моделирования (рис. 1), в котором в качестве неизвестных параметров фигурировали расстояния между станциями и разрешение сетки разреза, показали, что наименьшие ошибки реконструкции высотного разреза электронной концентрации для данного региона могут быть достигнуты при расстоянии между станциями порядка 250 км и разрешении сетки разреза ориентировочно 40 км вдоль траектории пролета спутника х 20 км по высоте.
250 200 150
-800-600-400-200 0 200 400 600 800 Расстояние, км
Рис. 3. Разность фаз, измеренная в приемных пунктах для области, занимаемой реконструкцией.
На рис. 1а представлено "идеальное" высотное распределение электронной концентрации, которое необходимо восстановить в результате численного эксперимента с минимальными невязками.
На рис. 1б представлено начальное приближения, которое использовалось в качестве 0-шага в алгоритме реконструкции ART
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.