Радиотомография глобальных ионосферных структур (стр. 4 )

       ,  (18)

что достигает π при θ0 ≈ 450 и значительно превышает 2π при углах θ0 ≈ 70 - 800. А использование углов падения на слой больших 450 существенно для радиотомографии глобальных структур.

       Для экспериментальной реализации радиотомографии ионосферы необходимо оценить, насколько существенно влияет отклонение приемников от плоскости пролета ИСЗ. Как правило, нет априорных оснований предполагать различными масштабы вариаций глобальных структур вдоль и поперек плоскости реконструкции. Поэтому луч выходящего из плоскости реконструкции приемника не должен выходить на высоте ионосферы за пределы расстояния, сравнимого с размером Δτ дискрета разбиения, что приводит к ограничению на отклонение от плоскости Δy ≤ Δτ.

       Проведенное численное моделирование томографической реконструкции глобальных ионосферных структур показало, что фазовые методы приводят к плохим результатам при ошибке в определении постоянной составляющей. На рис. 2а приведена модельная структура N(h,τ), использованная в моделировании (на сетке 8×20). Результаты реконструкции по фазовым данным при 10 % (по отношению к минимальной фазе) ошибке определения константы даны на рис. 2б. Как видно из рисунка. не восстанавливаются даже качественные особенности распределения N. Более того, и точное определение фазы не дает высокого качества реконструкции в стандартных фазовых методах. Это следствие грубой кусочно-постоянной аппроксимацией исходного распределения N(h,τ) и соответствующего вычисления матрицы L (14). Рис. 3а иллюстрирует невысокое качество томографической реконструкции и по точной фазе. Фазоразностные методы с более высокими порядками аппроксимации дают, конечно, лучшие результаты. На рис. 3б показана реконструкция того же распределения фазоразностным методом всего по 8 итерациям.

2. ПРИМЕНЕНИЕ ФАЗОРАЗНОСТНОЙ РАДИОТОМОГРАФИИ

ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЛОБАЛЬНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ПЛОТНОСТИ В ИОНОСФЕРЕ

       Прежде, чем начать изложение конкретных экспериментальных результатов отметим следующее обстоятельство. Выполненное нами предварительное теоретическое моделирование на ЭВМ показало, что прием сигналов навигационных ИСЗ даже в трех приемных точках, расположенных вдоль проекции на Землю орбиты спутника, является хорошей основой для восстановления двумерного среза изменений электронной плотности, в частности, структуры главного ионосферного провала.

Рис. 2. (а) Модель неоднородного распределения плотности. (б) Результат восстановления по «неточным» фазовым интегралам

Рис. 3. (а) Результат восстановления модельного распределения плотности (рис. 2а) по точным фазовым интегралам. (б) по разности линейных интегралов (фазоразностная томография)

       Структура главного ионосферного провала исследовалась в основном с помощью прямых измерений на спутниках на высотах много выше максимума электронной концентрации слоя F2, значительно реже на высоте максимума области F2, либо с помощью ионозондов в областях ниже максимума F2 /Деминов и Карпачев, 1986; Кол, 1983; Роджер и Пиннок, 1983; Kohnlein and Raitt, 1977/. Несомненный научный интерес для физики образования ионосферы являются одновременные наблюдения структуры провала выше максимума F2, так и ниже. Сравнительно дешевым средством, обеспечивающим решение такой задачи, является радиотомографический эксперимент, использующий сигналы навигационных ИСЗ.

       При постановке томографического эксперимента была выбрана схема с приемными точками, находящимися вблизи городов Мурманск, Кемь (Карелия) и Москва, с географическими координатами приемных точек (λВ = 31.760; φВ = 68.590), (λК = 34.600; φК = 64.950), (λМ = 37.630; φМ = 55.670) соответственно (рис. 4). Сплошными линиями на этом рисунке нанесены исправленные геомагнитные координаты, а штрихованными - географические. Основой для выбора такого расположения приемных точек послужили следующие причины.

Рис. 4. Схема расположения приемных точек

       Во-первых, эти приемные точки расположены вдоль проекции орбиты на Землю движущегося с севера ИСЗ (штрих-пунктирная линия на рис. 4). При этом проекция орбиты совпадает с геомагнитным меридианом. Во-вторых, в работе /Демичев и Карпачев, 1986/ по результатам наблюдений с помощью спутника “Интеркосмос-19” для спокойных условий в околополуночной зимней ионосфере периода высокой солнечной активности для ряда наблюдений было показано, что положение минимума концентрации в главном ионосферном провале можно приближенно описать соотношением

       Λ = 59 + 2.2 cos(λ + 25) – 3.3 cos(2λ - 60),

где Λ - инвариантная широта минимума концентрации, а λ - географическая долгота в градусах.

       Следовательно, над приемной точкой в г. Кемь в полуночное время будет находиться область минимума электронной концентрации, смещаясь от нее на север или юг в зависимости от времени суток. Так в работе /Konlein and Raitt, 1977/ положение минимума концентрации от времени описывается регрессионной зависимостью

       Λ = 65.2 – 2.1Кр – 0.5ТМ ± 2,

где Кр - планетарный индекс магнитной активности, ТМ - местное геомагнитное время в часах.

       Наконец, конфигурация главного ионосферного провала различна в северном и южном направлении относительно центра /Кол, 1983/, изменения к югу более плавны, чем на север. Это и обусловило разнос приемных станций на различные расстояния на юг и на север относительно центральной - в г. Кеми.

       В эксперименте по радиотомографии глобальных ионосферных структур была использована стандартная приемная аппаратура системы пассивной навигации, снабженная дополнительными оконечными устройствами, позволяющими выделить ионосферную составляющую эффекта Доплера. Дополнительными к стандартной аппаратуре являются – устройство выделения амплитудно-фазовых изменений сигнала частоты 150 МГц в ионосфере, устройство сопряжения аналого-цифровых преобразователей с мини-ЭВМ и собственно ЭВМ. Структура устройства, обеспечивающего передачу цифровой информации от аналого-цифрового преобразователя в центральный процессор под управлением команд, задаваемых программой в ЭВМ, выбирается в соответствии с типом ЭВМ. Представляемый в работе эксперимент был реализован на ДВК-3М.

Устройство же для выделения ионосферной составляющей эффекта Доплера не зависит от типа ЭВМ, а определяется структурой навигационного приемника (рис. 5). Оно предназначено для приведения fоп – частоты опорного генератора, синхронизуемого с сигналом частотой 400 МГц, излучаемого со спутника, к fп – промежуточной частоте сигнала 150 МГц в приемнике (рис. 5), с целью исключения вакуумной составляющей эффекта Доплера.

Рис. 5. Блок-схема устройства для выделения ионосферной составляющей эффекта Доплера

       Проблема синхронизации разнесенных на значительное расстояние приемных пунктов, решается с помощью запуска генератора секундной меткой, привязанной к бортовой спутниковой шкале времени на ИСЗ.

       Отметим, что при использовании ДВК-3М - вычислительного комплекса с центральным процессором “Электроника-60” запись данных удобно производить на гибкую дискету магнитного накопителя. Размер буфера накопления в оперативной памяти дает возможность проведения непрерывной записи сигналов с частотой отсчета 200 Гц в течение 10 минут.

       В результате обработки двух квадратур, обозначенных на рис. 5 как “150” и “150 + р/2”, можно найти с точностью до некоторой неизвестной постоянной значение фазы φD, определяемое разностным эффектом Доплера и зависящее от полного электронного содержания вдоль линии распространения волны /Терещенко, 1987/:

       ,

где λ - длина волны в метрах, равная в рассматриваемом нами случае 2 м.

       Таким образом, в фазоразностном методе измеряется величина, являющаяся основой для томографической реконструкции и отличающаяся от (2) константой порядка единицы, связанной с пересчетом фазы с одной частоты на другую, а также наличием неизвестной постоянной. При этом наличие множителя 55/64 не является препятствием к использованию экспериментальных данных для реконструкции, а присутствие неизвестной постоянной, как уже отмечали выше, является принципиальным затруднением для использования томографии по линейным интегралам.

       Эксперименты по глобальной радиотомографии были проведены в марте - апреле 1990 г. В большинстве случаев наблюдались довольно регулярные и гладкие сечения ионосферы, когда ионосферная доплеровская частота лишь однажды проходит ноль. Однако неоднократно встречались и сложные многоэкстремальные структуры, доплеровская частота при этом несколько раз пересекала ноль и имела несколько экстремумов.

       На рис. 6 приведены результаты измерения φD для трех приемных точек: вблизи Мурманска - верхняя кривая, в г. Кемь - средняя кривая и в Москве - нижняя кривая. Беглый анализ записей показывает их отличие от “секансного” закона изменения, справедливого для сферически слоистой ионосферы, и ярко выраженное падение концентрации чуть севернее Кеми.

Рис. 6. Экспериментальные данные по измерению ионосферной фазы для трех приемных точек

       По исходным экспериментальным значениям φD после отфильтровывания высокочастотных составляющих с помощью цифрового фильтра с граничной частотой приблизительно 0.1 Гц определялись производные фазы по времени - ионосферные доплеровские частоты - исходные данные для восстановления структуры ионосферы описанным выше методом фазоразностной томографии.