Двумерная радиотомография ионосферы: существующие и перспективные технологии

Начиная с 2008 г. в России Росгидрометом создается система мониторинга геофизической обстановки над территорией РФ (СМГФО), основной задачей которой является выявление неоднородностей (неоднородных геофизических структур) различного происхождения в верхней атмосфере, ионосфере, околоземном космическом пространстве [1]. В качестве источников информации о состоянии ионосферы в СМГФО, помимо средств вертикального и наклонного радиозондирования входит подсистема радиотомографии ионосферы, которая состоит из сетей двумерной и трехмерной радиотомографии. Двумерная радиотомография является одним из наиболее эффективных способов определения электронной концентрации в ионосфере на высотах 100–1 000 км, благодаря использованию когерентных сигналов низкоорбитальных спутников. Подобный подход [2] используется уже около 20 лет, однако создание СМГФО потребовало значительного пересмотра реализации метода и модернизации программных и аппаратных средств для обеспечения высокой степени автоматизации процесса регистрации и синхронной работы большого количества территориально разнесенной аппаратуры. В результате была разработана информационная технология радиотомографии ионосферы и соответствующее аппаратное обеспечение, описание которых приводится в данной работе.

Разработка технологии двумерной РТ ионосферы. Основным принципом двумерной радиотомографии ионосферы является синхронная регистрация изменения разности фаз двух когерентных сигналов (150 и 400 МГц), пропорциональная изменению относительного полного электронного содержания, от спутников с приполярной орбитой на сети приемных установок, расположенных в меридиональном направлении, и последующая реконструкция распределения электронной концентрации по полученным измерениям.

Разработанные до 2008 г. аппаратура приема и методика сбора и обработки данных [2] не позволяли оперативно получать карты распределения электронной концентрации, а также имели ограниченный диапазон используемых спутников. За рубежом единственная система радиотомографии ионосферы, работающая в режиме близком к реальному времени, была только в США, где велись наблюдения ионосферы над нагревным стендом HAARP, однако принципы ее работы в литературе описаны не были. В настоящее время эта система не работает.

Таким образом, для реализации двумерной радиотомографии ионосферы в СМГФО возникла необходимость в создании нового приемного оборудования и программного обеспечения, которое позволяло бы осуществлять мониторинг ионосферы с использованием большого количества удаленных приемных станций и обеспечивало бы быстрое формирование карт распределения электронной концентрации.

Для достижения высокой скорости получения и обработки данных, все новое программное и аппаратное обеспечение изначально разрабатывалось для работы в сети Интернет. В итоге были разработаны типовой сетевой радиотомографический приемник для регистрации ионосферной задержки когерентных сиг- налов и сервер информационной технологии обработки данных от сетей радиотомографических приемников.

Радиотомографический приемник позволяет производить прием и тематическую обработку когерентных сигналов находящихся в диапазоне ±300 ppm относительно центральных частот 150, 400 МГц, что позволяет осуществлять наблюдение за ионосферой с использованием соответствующих спутников, в частности COSMOS (2407, 2414, 2429, 2454, 2463), OSCAR (23, 25, 31, 32), FORMOSAT-3 FM (1–6), RADCAL, DMSP F15. В число основных функций входят: расчет разностной фазы и относительной интегральной электронной концентрации и ее градиента на линиях визирования спутник-приемник, а также осуществление координатно-временной привязки измерений [3].

Базовыми элементами информационной технологии являются клиентское и серверное программное обеспечение (ПО). Клиентское ПО осуществляет предварительную обработку результатов наблюдений и передачу их на сервер по протоколу HTTP. Серверное ПО в свою очередь осуществляет получение данных, томографическую обработку информации с сети приемных установок. На основе анализа метаинформации в поступившем с приемника файле, осуществляется идентификация полученных данных определенному, заранее предрассчитанному сеансу радиопросвечивания. После этого данные проходят процедуру координатно-временной привязки. При наличии более двух файлов наблюдений для одного сеанса запускается модуль решения томографической задачи. Применяемая в серверном ПО методика томографической обработки данных имеет в основе своей метод фазоразностной томографии [2].

В логике и структуре серверного ПО реализована возможность одновременной работы с несколькими сетями приемников. По предварительным оценкам один сервер способен одновременно обслуживать до 10 сетей по 5 приемников в каждой. Количество обслуживаемых приемников определяется, преимущественно, параметрами быстродействия вычислительной машины, используемой в качестве сервера. Информация о распределении электронной концентрации в районе мониторинга доступна через 5 мин после регистрации спутникового сигнала на приемных установках. Подробное описание технологии приводится в работе [4].

Результаты работ. Основным информационным продуктом информационной технологии являются карты высотного распределения электронной концентрации ионосферы (томограммы) над сетями радиотомо-графических приемников (см. рисунок). Разрешение карт составляет 25 км по высоте и 50 км вдоль сети. Протяженность томограмм определяется размером сети приемных установок. В настоящее время самая протяженная сеть Мурманск–Майкоп (всего 7 приемников) позволяет получать томограммы протяженностью около 3 300 км. С использованием технологии работают еще 3 сети в России, одна из которых расположена в европейской части страны, одна на о. Сахалин и одна на Камчатке. Первые две сети входят в состав СМГФО, вторые – экспериментальный полигон для отработки технологии радиотомографии, развернутый ОАО «Российские космические системы» .

Карта распределения электронной концентрации в веб-интерфейсе информационной технологии ( а ) и график сопоставления определения критической частоты с помощью информационной технологии и ионозонда ( б )

Оценка точности получаемых томограмм проводится с использованием измерений ионозондов, расположенных в районе наблюдений. Сопоставление двух рядов наблюдений в течение года показывает (около 700 синхронных измерений в точке), что в целом наблюдается хорошее соответствие, коэффициент корреляции 0,8. Средняя невязка равна 0,67 МГц, что составляет 7 % от максимального значения, зарегистрированного ионозондом за год и 14 % от среднего (см. рисунок).

Перспективы. В целях повышения точности реконструкции электронной концентрации ионосферы с помощью описанной технологии, в настоящее время ведутся работы по реализации учета эффекта рефракции при решении задачи томографии, учету наклона зондируемого объема ионосферы, поиску наиболее эффективного способа подбора начального приближения. В идеале необходимо уменьшить ошибку в определении электронной концентрации до 0,1 МГц в терминах критической частоты. Также планируется расширить спектр информационных продуктов за чет наблюдений ионосферных мерцаний амплитуды зондирующих радиосигналов (индекс S4), графиков временной изменчивости полного электронного содержания в точке, а также автоматически выделяемых неоднородностей электронной концентрации.

У описанного выше метода радиотомографии есть одно существенное ограничение – система регистрации привязана к определенной территории Земли. Для того чтобы избавится от этого недостатка была проведено моделирование системы радиотомографии ионосферы, в которой и приемники и передатчики находятся на малоразмерных космических аппаратах (МКА). В итоге были найдены варианты взаимного расположения МКА, которые в перспективе позволят создать систему глобального мониторинга ионосферы. В частности, для формирования орбитальной группировки МКА был предложен кластерный способ размещения спутников, при котором несколько (4–6) МКА размещаются в пределах взаимной радиовидимости и образуют самодостаточную для последующей реконструкции электронной концентрации ионосферы систему регистрации. Для увеличения частоты сканирова- ния ионосферы в каждую орбитальную плоскость выводится до четырех кластеров МКА. При кластерном расположении спутников средние ошибки реконструкции составили 32–35 %, при количестве аппаратов не более 20 и времени накопления информации около 20 минут. Исследование показало, что использование результатов работы моделей ионосферы в качестве априорной информации, позволяет уменьшить средние ошибки реконструкции до 5–10 % [5].

В результате проведенных работ создана технология для оперативного получения широтных разрезов электронной концентрации ионосферы. Благодаря высокой скорости обработки томографических измерений (5–10 мин) и доступности результатов по сети Интернет, данная технология может быть с успехом использована как для мониторинга ионосферы в гидрометеорологических целях, так и в целях поиска неоднородностей естественного и искусственного происхождения.