2
СОДЕРЖАНИЕ
Список таблиц.................................................... 6
Список рисунков.................................................. 7
Список обозначений и сокращений.................................. 13
Введение......................................................... 17
Глава 1. Трансионосферное распространение радиоволн............... 28
1.1. Изменение параметров радиосигнала при трансионосферном распространении....................... 28
1.1.1. Групповое и фазовое запаздывание радиоволн в ионосфере............................................. 28
1.1.2. Влияние ионосферы на частоту радиоволны 31
1.1.3. Рефракция радиоволн в ионосфере................. 33
1.1.4. Амплитуда трансионосферных радиоволн............ 36
1.1.4.1. Изменение энергии радиоволн с расстоянием 3 7
1.1.4.2. Поглощение в ионосфере...................... 38
1.1.4.3. Замирания................................... 39
1.1.4.4. Вращение плоскости поляризации
Фарадеевская амплитудная модуляция........... 40
1.2. Степень воздействия ионосферы на параметры траисионосферных сигналов.............................. 43
1.3. Классические радиофизические методы исследования ионосферы.............................................. 44
1.3.1. Метод вертикального и наклонного зондирования ионосферы............................................. 45
1.3.2. Метод частичных отражений....................... 47
1.3.3. Метод некогерентного рассеяния.................. 47
3
1.3.4. Трансионосферные методы зондирования........... 48
1.3.5. Моделирование параметров ионосферы............. 51
1.4. Выводы по Главе 1.................................. 53
Глава 2. Современные средства тестирования трансионосферного
радиоканала............................................. 54
2.1. Измерение полного электронного содержания на основе данных глобальной сети навигационных приемников GPS........................................... 54
2.2. Глобальные и региональные карты абсолютного значения «вертикального» полного электронного содержания............................................... 56
2.3. Определение полного электронного содержания на основе данных спутниковых высотомеров.................... 59
2.4. Международная справочная модель IRI................ 63
2.5. Модель магнитного поля земли IGRF-10............... 65
2.6. Выводы по Главе 2.................................. 66
Глава 3. Взаимное тестирование данных GPS, спутниковых высотомеров и результатов ионосферного моделирования с использованием IRI-2001 и IRI-2007 ............................... 67
3.1. Сравнение данных спутниковых высотомеров Jason-1
и Topex/Poseidon.................................... 68
3.2. Сравнение данных GPS и спутниковых высотомеров 72
3.3. Сравнение данных региональных североамериканских карт вертикального полного
электронного содержания с глобальными картами ПЭС и результатами ионосферного моделирования IRI-2001 и IRI-2007 ................................ 78
4
3.4. Тестирование 1Ш-2001 и 1Ш-2007 на основе данных спутниковых высотомеров................................. 89
3.4.1. Точность модели при различном уровне солнечной
и геомагнитной активности...................... 91
3.4.2. Точность модели в различных регионах земного шара.................................................. 95
3.4.3. Суточная динамика Г1ЭС в модели ШТ............. 99
3.5. Глобальное электронное содержание по данным карт в!М и модели 1Ш......................................... 104
3.6. Сравнение данных различных средств измерения ПЭС
и моделирования.................................... 110
3.7. Обсуждение и выводы по Главе 3.................... 111
Глава 4. Экспериментальное исследование влияния ионосферы на фазовые и поляризационные характеристики радиоастрономических сигналов при трансионосферном
распространении........................................... 115
4.1. Искажения амплитудного профиля солнечного радиоизлучения на примере солнечной вспышки Х38 17 января 2005 г......................................... 115
4.2. Искажения фазовых и спектральных характеристик радиоизлучения дискретных источников при различных условиях эксперимента......................... 127
4.3. Ионосферная ошибка определения углового местоположения радиоисточника при
радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой 142
4.4. Спектральные искажения трансионосферного радиосигнала............................................ 147
4.5. Выводы по Главе 4.................................. 149
5
Глава 5. Адаптация радиотелескопов и радиоинтерферометров к
изменяющимся условиям трансионосферного
распространения........................................ 151
5.1. Принцип адаптации радиотелескопов и радиоинтерфероме гров................................... 151
5.2. Блок-схема программного комплекса................. 153
5.3. Оценка точности метода при несовпадении углового местоположения радиоисточника и реперного источника............................................... 155
5.4. Адаптация радиоинтерферометров со сверхдлинной базой на основе модели 1Ш.............................. 160
5.5. Выводы по Главе 5................................. 162
Заключение....................................................... 163
Благодарности Литература...
166
167
6
Список таблиц
1.1. Частотная зависимость эффектов, влияющих на распространение радиоволн через ионосферу....................................... 44
1.2. Порядок величины эффектов, влияющих на распространение через ионосферу радиосигналов частоты 100 МГц................... 44
2.1. Основные параметры орбиты спутниковых высотомеров Jason-1
и Topex/Poseidon................................................. 60
3.1. Результаты сравнения данных G1M СОЕЮ, US-ТЕС и IRT-2007... 81
3.2. Результаты сравнения экспериментальных значений ГЭС Gcodg (t) и результатов моделирования Gjri (t)................. 107
3.3. Среднее абсолютное (ТЕСи)/относительное (%) отклонение ПЭС
для различных параметров модели 1R1............................. 108
3.4. Абсолютное (ТЕСи)/относительное (%) среднее отклонение значений ПЭС по данным различных средств....................... 110
3.5. Точность модели IRI по результатам различных исследований... 113
4.1. УКВ станции: координаты, рабочие частоты, тип поляризации и время максимума профиля вспышки Х38 17 января 2005 г.. 117
4.2. Координаты радиотелескопов и ближайших к ним приемных станций GPS.................................................... 129
7
Список рисунков
1.1. Дополнительный набег фазы при наклонном падении волнового
фронта............................................................. 35
2.1. Элементарная GIM ячейка........................................... 57
2.2. Сравнение данных Topex/Poseidon (серые точки) и Jason-1 (черные точки) при одновременном пролете через область экваториальной аномалии во время геомагнитной бури 30 октября 2003 г............ 62
3.1. Среднее глобальное значение ПЭС </c?Jwr:> (панели а, о), рассчитанное по данным спутниковых высотомеров Т/P и Jason-1, и нормированные функции плотности вероятности распределения абсолютного и относительного отклонения Среднего Глобального ПЭС <Igm7>, полученного по данным Jason-1 и Topex/Poseidon {в, г) 70
3.2. Функция вероятности распределения разности ПЭС Л/ по данным спутниковых высотомеров /Л1, и карт GIM............................ 74
3.3. Среднегодовое отклонение <Л 1> значений ПЭС по данным спутниковых высотомеров и карт GIM для 1998-2007 гг. для различного локального времени........................................... 75
3.4. Среднегодовое отклонение <А/> значений ПЭС по данным спутниковых высотомеров и карт GIM JPLG для 1998-2007 гг. в разных геофафических регионах........................................... 77
3.5. Среднее региональное значение ПЭС Для территории
Северной Америки, рассчитанное по данным глобальных карт ПЭС GIM CODG, северо-амсриканских карт ПЭС US-ТЕС, а также модели TRI-2007.................................................... ^0
3.6. Дифференциальные функции распределения среднего отклонения значений ПЭС по данным глобальных карт GIM CODG и североамериканских карт ПЭС US-ТЕС (панель а), модели IRI-2007 и северо-американских карт ПЭС US-ТЕС (панель о).......................... 82
8
3.7. Карты среднеквадратичного отклонения а и среднего значения абсолютного отклонения <Д/> значений ПЭС по данным IRI-2007 и северо-америкапских карт US-ТЕС для дневного (а, в) и ночного времени (б, г)........................................................ 84
3.8. Карты среднеквадратичного отклонения о и среднего значения абсолютного отклонения <А1> значений ПЭС по данным глобальных карт ПЭС GIM CODG и северо-американских карт ПЭС US-ТЕС для дневного (а, в) и ночного времени (б, г)................... 85
3.9. Карты среднего значения абсолютного отклонения <А/> по данным IRI-2001 и US-ТЕС (панель я), IRI-2007 и US-ТЕС (панель б) 87
3.10. ПЭС карт GIM CODE, US-ТЕС, а также модели IRI-2007 в
различных геомагнитных широтах.................................. 88
3.11. Дифференциальные (а, б) и интегральные (в, г) распределения разности значений ПЭС ДI по данным спутниковых высотомеров /Аit и модели IRI 1т за период с 10 августа 1992 г. по 31 декабря 2007 г............................................................... 90
3.12. Изменение статистических параметров а (а, г), <Д1> (б, б), <Д1/Т> (я, е) в течение 23-го цикла солнечной активности. Панели а-в - IRI-2001, г-е - IRI-2007. Панель я - динамика глобального электронного содержания (ГЭС; серые точки), панель г - динамика потока солнечного радиоизлучения на длине волны 10.7 см (серые точки). Пунктирными кривыми на панелях вне обозначены медленные 11-летние вариации <Д1/1>................................. 92
3.13. Зависимость СКО (я, в) и среднего значения отклонения <Д/> (б, г) экспериментальных (Jason-1, Topex/Poseidon) и модельных (IRI-2001, IRI-2007) значений ПЭС от уровня геомагнитной (а) и солнечной (б) активности. Серая кривая - IRI-2001, черная пунктирная кривая - JRI-2007......................................... 94
9
3.14. Пространственное распределение статистических параметров о (а)
и <Д[> (б)........................................................ 96
3.15. Зависимость статистических параметров о, <А1>, <Д1/1> от геомагнитной широты.................................................... 97
3.16. Суточная динамика статистических параметров ст, <Д/>. <Д//7>, характеризующих точность модели; а-в - в системе локального времени; г-е - в системе локального времени с/Г солнечного терминатора на высоте 300 км. Серая кривая - 1Ш-2001, черная
11унктирная кривая - 1ЯТ-2007.................................... 100
3.17. Суточная динамика статистических параметров а (я), <Л1> (б), <А1/1> (я), характеризующих точность модели, в системе
локального времени с1Т солнечного терминатора на высоте 300 км, для различных регионов земного шара......................... 103
3.18. Вариации экспериментальных (серые кривые) и модельных (1ЯТ-2001 и Ж1-2007 - черные сплошные и пунктирные кривые соответственно) значений ГЭС; ряды сглажены с временным окном
10 дней (я) и 365 дней (б)..................................... 106
3.19. Глобальное электронное содержание на дневной и ночной стороне. а - сглаженные с окном 10 дней значения ГЭС (7/я/(0 ночной (темно-серая кривая) и дневной (черная кривая) сторон Земли гю результатам моделирования; б - отношение ГЭС дневной к ГЭС ночной стороны Земли Яцц(0 по данным моделирования (черная кривая) и RcoDC.it) по данным эксперимента (пунктирная кривая). .. 109
10
4.1. Геометрия эксперимента 17 января 2005 года. Точками показаны УКВ станции и спектрографы солнечного радиоизлучения (см. Табл. 4.1). Прямыми линиями отмечены горизонтальные проекции направления на Солнце в момент максимума вспышки 17.01.2005 около 10:00 UT из Греции и Москвы. На карту нанесено пространственное распределение вертикального ПЭС на 17.01.2005, построенное по lONEX-картам лаборатории CODE для 10:00 UT.
На изолиниях отмечены значения полного электронного содержания...................................................... 116
4.2. Временные профили амплитуды радиоизлучения Солнца во время вспышки • Х38, зарегистрированные 17.01.2005 с временным разрешением 1 с на станциях EMVFS на частоте 230 МГц (а-г), а также профили интенсивности, зарегистрированные на спектрографах SVT на частоте 245 Ml ц (д, <?), Artemis-IV на частоте 230 МГ ц (е) и спектрографе ИЗМИР АН на частоте 204 МГ ц (<)).... 119
4.3. Временной профиль интенсивности радиоизлучения Солнца во время вспышки Х38, зарегистрированный на спектроірафе «Artemis-IV» на частоте 230 МГц (я, левая шкала), в сравнении с суммарным нормированным профилем амплитуды £/?(/), полученным на станциях EMVFS (я, правая шкала), а также временной зависимостью потока радиоизлучения по данным радиоспектрографов ИЗМИР АН (б — на частоте 169 МГц, в — 204 МГц) и SVT на частоте 2 695 Мі"ц (г)................................ 120
11
4.4. Нормированные временные профили амплитуды радиоизлучения Солнца Я(1) во время вспышки Х38, зарегистрированные 17 января 2005 г. на станциях ЕМУР8 на различных частотах с временным разрешением 1 мин (6-г). а - сумма £11(0 нормированных профилей, зарегистрированных на всех станциях и на всех частотах ЕМ\Т8, и опорный профиль Яо(0, представленный также на панели <) в сравнении с профилем интенсивности радиоизлучения Солнца,
полученным на спектрографе «Artcmis-IV»........................... 122
4.5. Результат модуляции опорного профиля Ro(t) функцией M(t) (а, д) и модулирующая функция ионосферы M(t), рассчитанная для частоты 230 МГц по данным GIM CODE (б) и модели IR1-2001 для частоты
178 МГц (е)....................................................... 124
4.6. Коррекция профиля солнечного радиоизлучения,
зарегистрированного на станции Ithomi в сравнении с данными специализированного солнечного спектрографа Artemis-IV....... 128
4.7. Глобальное распределение вертикального ПЭС, полученное по данным глобальных карт GIM JPLG, для различных условий эксперимента..........................................................
4.8. Изменение параметров радиосигнала частоты 100 МГц в районе 130 радиотелескопа LOFAR для магпитоспокойного дня 4 декабря 2004
г................................................................. 132
4.9. Изменение параметров радиосигнала частоты 100 МГц в районе
радиотелескопа LOFAR для магнитной бури 30 октября 2003 г 135
4.10. Изменение параметров радиосигнала частоты 100 МГц в районе радиотелескопа MIRA для магнитоспокойного дня 4 декабря 2004 г. 136
4.11. Изменение параметров радиосигнала частоты 100 МГц в районе радиотелескопа MIRA для магнитной бури 30 октября 2003 г 137
12
4.12. Изменение параметров радиосигнала частоты 100 МГц в районе радиотелескопа Arecibo для магнитоспокойиого дня 4 декабря 2004
г............................................................... 139
4.13. Изменение параметров радиосигнала частоты 100 МГц в районе радиотелескопа Arecibo для магнитной бури 30 октября 2003 г.... 141
4.14. Схема GPS станций, расположенных вблизи разнесенных приемных антенн низкочастотной радиоастрономической решетки LOFAR.... 143
4.15. Дополнительная разность фаз для различных приемных антенн радиоинтерферометра LOFAll во время большой магнитной бури
30 октября 2003 г............................................... 145
4.16. Дополнительная разность фаз для различных приемных антенн радиоинтерферометра LOFAR во время магнитоспокойного дня 4 декабря 2004 г....................................................... 146
4.17. Спектральные искажения радиосигнала. Панель а - исходный динамический спектр, б - искаженный спектр. На панели в представлена модулирующая функция ионосферы.......................... 148
5.1. Схема адаптации радиотелескопов и радиоинтерферометров к изменяющимся условиям трансионосферного распространения. ... 152
5.2. Алгоритм адаптации радиотелескопов и радиоинтерферометров к изменяющимся условиям траисионосферного распространения.... 154
5.3. Ошибка определения ПЭС при несовпадении угла места и азимута лучей на реперный и на исследуемый источники для различных широтных областей.................................................... 158
5.4. Ошибка определения ПЭС при несовпадении угла места и азимута лучей на реперный и гга исследуемый источники для различных направлений на исследуемый источник.................................. 159
5.5. Коррекция дополнительного фазового запаздывания для радиоинтерферометра LOFAR на основе модели IRI-2001............. 161
13
Список обозначений и сокращений
ГЭС, G глобальное электронное содержание 91
ГЛОНАСС глобальная навигационная спутниковая система 18
ИСЗ искусственный спутник земли 29
HP некогерентпое рассеяние 47
ПЭС полное электронное содержание 18
PC ДБ, радио интерферометрия/радиоинтерфсромстр со
VLBI сверхдлинной базой (Very Long Base
Interferometer/Tnterferometry) 142
CKO, а среднеквадратичное отклонение 87
СРНС спутниковая радионавигационная система 54
СТ солнечный терминатор 99
ФАМ фарадеевская амплитудная модуляция 40
ЭК электронная концентрация 45
CODG Center for Orbit Determination in Europe, University of Berne,
Switzerland 58
DORIS Doppler orbitography and radiopositioning integrated by
satellite - двухчастотный приемник системы доплеровского слежения за орбитой и радиопозиционирования 61
ESAG European Space Agency Group 58
GDR geophysical data records 61
GECU Global Electron Content Unit - единица измерения ГЭС,
равная 1032 электронов 91
GIM Global Ionosphere Maps - глобальные карты полного
электронного содержания 20
GPS Global Positioning System - глобальная система
позиционирования 18
IGRF International Geomagnetic Reference Field - международная
справочная модель магнитного поля Земли 19
14
10NEX Ionosphere map exchange 56
IRI международная справочная модель ионосферы
(International Reference Ionosphere) 19
JPLG Jet Propulsion Laboratory of California Institute of Technology 58
LOFAR LOw Frequency ARray 19
LT Local Time - локальное время 73
RINEX Receiver INdependent EXchange 54
SKA Square Kilometer Array 19
T/P Topex/Poseidon 59
TECU Total Electron Content Units - общепринятая единица
измерения ПЭС, равная 1016 м'2 18
UPCG Grup Universität Politecnica de Catalunya 58
US-ТЕС Региональные североамериканские карты ПЭС 20
UT Universal Time - универсальное (мировое) время 56
Р групповой путь • 28
АР отличие группового пути от геометрического расстояния,
обусловленное отличием показателя преломления в среде от показателя преломления в вакууме 29
с скорость распространения радиоволны в вакууме 29
Vg групповая скорость распространения радиоволн 29
Н высота расположения источника радиосигнала 29
n(h) высотный профиль приведенного коэффициента
преломления среды распространения 29
h текущая высота 29
Ne электронная концентрация, м' 30
/ частота радиоволны, Гц 30
у коэффициент, равный 40.308 в системе СИ 30
15
AL дополнительный фазовый путь в ионосфере 31
Af изменение частоты радиосигнала 29
Afà доплеровское изменение частоты радиосигнала 32
X длина волны 32
Afj изменение частоты радиосигнала вследствие изменения
фазы 32
(р Фаза радиосигнала 32
А(р Изменение фазы радиосигнала 32
DM Dispersion measure - Мера дисперсии 33
/ Полное электронное содержание 33
foF2 критической частоты Р2-слоя 34
А\р Угол отклонения волнового фронта плоской радиоволны 36
а) угловая частота радиоволн 38
£ угол между направлением распространения и вектором
напряженности магнитного поля Земли 41
В вектор магнитного поля Земли 41
Во напряженность магнитного поля 41
Q угол поворота плоскости поляризации 41
RM Rotation measure - мера вращения 41
X Угол места 42
а азимута 42
M(t) Модулирующая функция ионосферы 42
R(t) исходный сигнал до ионосферы 42
A(t) «выходной» сигнал 42
а соотношение амплитуд компонент электромагнитной
волны с правым и левым направлением вращения 43
Фо начальная фаза 43
К Неоднозначность фазы 34
пР погрешности определения группового пути 34
- Київ+380960830922