авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

Спутниковое радиозондирование ионосферы из окрестности главного максимума концентрации электронов

-- [ Страница 2 ] --
  • впервые обоснована практическая целесообразность применения низкоорбитальных спутников в космическом сегменте системы мониторинга ионосферы, отличающаяся тем, что в сегмент вводятся низкоорбитальные КА, выполняющие с одной стороны функцию уточнения главных параметров ионосферы, полученных другими методами в рамках сегмента, а с другой стороны предназначенных для обнаружения резких горизонтальных градиентов концентрации электронов;
  • на основе морфологического анализа и классификации результатов радиозондирования с ОК «Мир» установлены новые частотно-высотные характеристики ионосферы, которые определяются по ионограммам спутникового радиозондирования (действующая глубина задержанного нижнего следа на наибольшей частоте его существования, критическая частота z-моды и новое взаимное расположение частоты отсечки о-компоненты и наименьшей частоты отражения от Земли);
  • впервые было найдено новое физическое явление, которое состоит в том, что радиозондирование с высот ниже максимума ионосферы в большинстве случае приводит к образованию ранее неизвестного тракта наклонного распространения радиоволн в широком диапазоне частот с возвращением на ИСЗ;
  • впервые было показано, что это явление находит свое отражение на спутниковых ионограммах в виде ранее неизвестного следа характерной формы, отличающегося непрерывностью и большими монотонными возрастающими по частоте групповыми задержками. Новый след получил название «задержанный нижний след» (ЗНС), в англоязычной литературе – (RLT);
  • впервые было показано, что причиной появления ЗНС является наличие горизонтальных градиентов электронной плотности различного характера вблизи максимума ионосферы;
  • впервые построено пространственное распределение электронной плотности краев крупномасштабных неоднородностей, вызывающих появление траекторий радиосигнала, возвращающихся на спутник при наклонном распространении, получены оценки их скорости движения, а так же оценки градиентов роста электронной концентрации;
  • разработаны алгоритмы и апробированы программные средства, предназначенные для определения горизонтального распределения электронной концентрации ионосферы Земли по данным радиозондирования с низколетящих спутников в случае наличия дополнительных следов на ионограммах, отличающиеся тем, что позволяют рассчитывать полный комплекс траекторий радиолучей, распространяющихся от передатчика ионозонда в неоднородной ионосфере и возвращающихся обратно в точку излучения;
  • впервые были обнаружены z-следы, достигающие максимума ионосферы, даны теоретические оценки интервала высот, в которых след z-компоненты достигает высоты максимума, обоснована и доказана возможность использования z-моды для расчета N(h)-профилей, и проведены соответствующие расчеты, показавшие возможность использования z-следа наравне со следами о- и х-компонент.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость результатов исследования характеризуется:

  • обоснованием нового метода спутникового зондирования, получившего в литературе название метода внутреннего спутникового радиозондирования;
  • выдвинутыми автором аргументами, подтверждающими гипотезу о возникновении особого тракта распространения в ионосфере радиоволн многих частот, фокусируемых в точку излучения горизонтальными градиентами электронной плотности;
  • раскрытием существенных проявлений теории z-волны, объясняющими возможность определения критической частоты ионосферы;
  • выделением новой проблемы, подлежащей последующему исследованию, заключающейся в том, что радиозондирование с высоты максимума позволяет изучать неоднородности ионосферы новым способом.

Практическая значимость результатов исследования определяется:

  • проделанным в работе анализом экспериментального материала, разработанными методами и проведенными численными исследованиями, которыми было показано, что радиозондирование с низких высот, обладает в большинстве случаев не меньшими возможностями, чем радиозондирование с высоты 1000 км. Тем самым было экспериментально подтверждено, что радиозондирование с целью определения основных параметров ионосферы можно проводить практически с любой высоты расположения КА, что имеет важное практическое значение для организации космического сегмента Ионосферной службы.
  • исследованием, ранее неизвестного механизма возвращения радиолучей обратно на ИСЗ при наличии ионосферных неоднородностей и построением модели распространения соответствующего многочастотного сигнала. Разработанные модели возвращаемого на ИСЗ многочастотного сигнала нашли применение при изучении пространственной структуры градиентов электронной концентрации, которые во многих случаях являются определяющими при проектировании и использовании систем радиосвязи через ионосферу.
  • разработкой методов определения пространственной структуры ионосферной неоднородности и построением соответствующих моделей. Эти модели могут быть использованы в расчетах параметров ионосферы, определяющих условия распространения радиоволн.
  • разработкой метода использования z-следа в комплексе со следами о- и х-компонент для определения основных параметров ионосферы и N(h)-профилей в окрестности максимума электронной концентрации.
  • разработкой метода использования ионосферной информации, объединяющего данные наземного и спутникового радиозондирования, для построения карт критической частоты ионосферы. Разработанный метод, соответствующие алгоритмы, а также сами карты, могут использоваться при оперативном мониторинге ионосферы.

Соответствие диссертации Паспорту научной специальности 25.00.29 – «Физика атмосферы и гидросферы»

Диссертационная работа является исследованием метода радиозондирования ионосферы из окрестности главного максимума концентрации электронов, направленным на развитие теории и практики мониторинга ионосферы с целью ее контроля и изучения. Область диссертационного исследования включает разработку теоретических основ и методик использования результатов радиозондирования для определения электронной пространственной структуры ионосферы, а также результаты применения этого метода, основанного на изучении распространения радиоволн, для изучения строения и физики ионосферы.

Указанная область исследования соответствует формуле специальности 25.00.29 – «Физика атмосферы и гидросферы (физико-математические науки)», а именно пункту 3 – «Строение и физика средней атмосферы (стратосфера, мезосфера), верхней атмосферы (термосфера, экзосфера) и ионосферы, включая влияние ионосферы на распространение радиоволн».

Апробация работы

Основные результаты докладывались и были представлены на ХХ-ХХII Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (Нижний Новгород, 2002 г., Йошкар-Ола, 2005 г., Ростов-на-Дону, п. Лоо, 2008 г.), на XXVII - XXVIII GA URSI (Амстердам, 2002 г., Дели, 2005 г.), на международных научных конференциях «Излучение и рассеивание электромагнитых волн», ИРЭМВ- (Таганрог, 2007 г., Дивноморское, 2009 г.), на LVI научной сессии, посвященной дню радио (Москва, 2001 г.), международной конференции «Интеркосмос-30» (Москва, 2001 г.), на второй Всероссийской научной конференции, «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами» (Санкт-Петербург, 2004 г.), на 4-ой международной конференции-выставки «Малые спутники. Новые технологии, миниатюризация, области эффективного применения в 21 веке» (г. Королев, Московской области. 2004 г.), на 10th International Conference on Ionospheric Radio Systems and Techniques (Лондон, 2006 г.), на Nordic HF-10 conference (о. Форе, Швеция, 2010г), на 2 международной специализированной выставке «Граница 2000» (Москва 2000г.), на второй международной научно-практической конференции «Мировое сообщество в борьбе с терроризмом» (Москва 2001 г.).

Реализация результатов работы

Результаты работ использовались в научной деятельности Института прикладной геофизики:

2003-2004 г. тема «Разработка научно-технического, методологического и технологического обеспечения ионосферных наблюдений с космических аппаратов, в том числе с обитаемых космических станций». Рег.№ 01.2.00 310232.

2006г. тема «Развитие методов и технологий космических и гелиогеофизических наблюдений» этап «Разработка научно-технической и методической документации на изготовление и установку бортовой ионосферной станции на современные малые ИСЗ и обитаемые космические станции».

2008-2010 г. тема «Усовершенствование модели ионосферного радиоканала, формируемого областью F ионосферы. Исследование трендов различных параметров верхней атмосферы и ионосферы и их согласованности в рамках современной теории образования ионосферы. Развитие методов мониторинга ионосферы с использованием наземно-космических средств. Проведение исследований по программе «Ионосфера». Рег. № 01.2.00 9 51230.

Результаты исследования используются в практической деятельности РКК «Энергия» им. С.П. Королева при обосновании новых космических экспериментов, включенных в долгосрочную программу Роскосмоса.

Результаты исследования используются в научной деятельности ЦНИИ Машиностроения.

Изложенное подтверждается Актами внедрения результатов исследования.

Публикации и личный вклад автора

Всего по теме диссертации опубликовано 44 научных работы, из них 15 статей в журналах, 28 – статей в материалах конференций либо тезисов к докладам на конференциях, одна статья для 5-ого тома «Энциклопедии холодной плазмы».

Основные результаты опубликованы в 9 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов докторских диссертаций: «Геомагнетизм и аэрономия» – 4 статьи, «Известия вузов. Радиофизика» – 4 статьи, «Электросвязь» – 1 статья.

Все основные теоретические результаты, представленные в диссертации, получены лично автором. Обработка первичной информации была проведена лично автором, либо совместно с аспирантами М.Р. Азизбаевым и Р.В. Скоморохом. В работах с их участием автору принадлежит также постановка задачи и, в большинстве случаев, выбор метода решения. В частности, под совместным руководством Н.П. Данилкина с автором выполнена кандидатская диссертация М.Р. Азизбаева «Коррекция модели ионосферы по данным спутникового радиозондирования со сверхнизких орбит». Во всех публикациях автор участвовал в постановке задачи, получении, обсуждении и интерпретации результатов. В статьях, написанных совместно с Н.П. Данилкиным, лично автору принадлежат обработка первичной информации и выполненные расчеты, а также равноценное участие в постановке задачи и формулировании основных выводов. В статьях, написанных с М. М. Анишиным, автор использовал программу расчета траекторий, созданную в ЮФУ при активном участии М. М. Анишина. В статьях, написанных совместно с Ю.К. Калининым, автору принадлежит только часть, касающаяся эксперимента с ОК «Мир».

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Она содержит 285 страниц основного текста, 143 иллюстрации, 46 таблиц, список цитируемой литературы из 202 наименований.

Основные элементы структуры диссертации приведены в выдержке из оглавления диссертации, включающей названия глав и параграфов:

1 Морфологический анализ ионограмм с ОК «Мир».

1.1 Математическое моделирование эксперимента по радиозондированию с ОК «Мир» ионосферы с неоднородностью большого масштаба.

1.2 Полный перечень всех сеансов на ОК «Мир».

1.3 Морфологическое исследование ионограмм и принципы интерпретации.

1.4 Аппаратурная регистрация положения ионозонда относительно максимума ионосферы. Последовательность ионограмм, пересекающих максимум.

1.5 Сравнение результатов зондирования с ОК «Мир» с другими исследованиями.

1.6 Особенности ЗНС ионограмм из различных районов земного шара.

1.7 Сравнительная характеристика узловых деталей ионограмм при зондировании со спутников на различных высотах.

2 Траекторный синтез ионограмм.

2.1 Начало исследования сложных ионограмм.

2.2 Метод расчета траекторий, основанный на правиле Снелиуса.

2.3 Методика восстановления N(h)-профиля по следу отражения от Земли, на основе профиля, рассчитанного ионосферной моделью IRI.

2.4 Траекторный синтез ионограмм на основе метода с использованием правила Снелиуса в рамках слоистой модели ионосферы.

2.5 Математическая модель неоднородной концентрации электронов в ионосфере, основанная на введении функции распределения концентрации электронов в ионосферы.

2.6 Траекторный синтез ионограмм на основе метода с использование правила Снелиуса в рамках модели ионосферы, заданной функцией распределения концентраци.

2.7 Метод расчета возвратных траекторий на основе метода характеристик для уравнения эйконала с описанием движения луча и волнового вектора.

2.8 Траекторный синтез на основе метода характеристик для уравнения эйконала с описанием движения луча и волнового вектора.

2.9 Сравнение результатов расчета траектории методом характеристик и методом, основанным на выполнении правила Снелиуса.

3 Поведение z-компоненты магниторасщепленного сигнала при радиозондировании со спутника из окрестности высоты максимума электронной концентрации ионосферы.

3.1 Математическое обоснование существования z – компоненты.

3.2 Ранние сведения о наблюдении z – компоненты.

3.3 Поведение z-компоненты в простом слое Чепмена.

3.4 Поведение z-компоненты в условиях реальной ионосферы.

3.5 Расчет профиля электронной концентрации по следам отражения о- и z-компоненты от ионосфер.

3.6 Некоторые замечания о погрешности расчетов f(h)-профиля.

3.7 Восстановление f(h)-профиля в условиях неполной информации.

4 Мониторинг ионосферы на основе наземных и спутниковых ионозондов.

4.1 Некоторые задачи мониторинга ионосферы.

4.2 Адаптация ионосферной модели на основе метода кригинга для решения практических задач. Расчет карты критических частот.

4.3 Экстраполяция данных измерений наземных ионосферных станций с использованием модели IRI.

4.4 Региональная экстраполяция данных радиозондирования ионосферы с ОК «Мир» совместно с данными наземных ионосферных станций с использованием модели IRI.

5 Геофизические результаты.

5.1 Проблема «перекрытия». Сравнение результатов расчета параметров ионосферы по результатам зондирования с ОК «Мир» с результатами других исследований.

5.2 Анализ формы f(h)-профиля в окрестности максимума электронной концентрации.

5.3 Анализ следов невертикального распространения при отражении и рефракции только от плотных слоев ионосферы.

5.4 Анализ серии последовательных ионограмм одного витка. Конфигурация неоднородности в горизонтальной, вертикальной плоскости и пространстве.

5.5 Последовательности ионограмм с двух смежных витков. Скорость движения макронеоднородности.

5.6 Корреляция с сейсмогенными неоднородностями.

5.7 Зоны резкого роста высоты максимума электронной концентрации и зоны резкого изменения плазменных частот в горизонтальном разрезе в планетарной ионосфере.

5.8 Регистрация ионозондом на ОК «Мир» градиентов электронной плотности, связанных с планетарным распределением концентрации электронов в ионосфере.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Установлена эффективность метода радиозондирования с высот порядка 350 км в определении основных параметров ионосферы.

Для решения вопроса об эффективности нового метода радиозондирования был проведен морфологический анализ и классификация обширного экспериментального материала радиозондирования ионосферы ОК «Мир». Эти результаты получены в общей сложности за 40 часов 17 минут работы ионозонда. Основными районами проведения эксперимента стали районы европейской части и Дальнего Востока, но проводились отдельные сеансы над Южной Америкой, Южной Африкой, в районе Австралии, в районе экватора над Тихим и Индийским океанами. Был проведен один почти непрерывный суточный сеанс радиозондирования, а так же несколько дней проводились сеансы на полных последовательных витках орбиты ОК «Мир». Таким способом было зарегистрировано 9217 ионограмм. Ионограммы, полученные с ОК «Мир», были двух видов – аналоговые, которые на частоте 137 МГц передавались на наземные станции, а так же цифровые, полученные в режиме записи, которые представляют собой зависимость групповой задержки сигналов от частоты зондирования при некоторой средней амплитуде. Основные результаты и выводы были сделаны на основе цифровых ионограмм.

Особенностью этих экспериментов, отличающей их от всех ранее проводимых, являлось то, что орбита станции находилась на высотах в интервале от 330 до 380 км. При движении по орбите аппарат находился либо выше, либо ниже высоты максимума концентрации электронов слоя F2 -, так как эта высота неодинакова в различных географических зонах. До этого все спутниковые эксперименты по радиозондированию ионосферы проводились с высот порядка 1000 км, т.е. всегда существенно выше максимума.

В те моменты, когда ОК «Мир» находился выше основного максимума ионосферы, записанные ионограммы качественно не отличались от, полученных на других спутниках ранее.

На ионограммах с высот ниже следы отражений выглядели иначе (рис.1).

Во-первых, это следы вертикального отражения от ионосферы при распространении вверх. Их оставляют радиоволны, которые распространяются от ИСЗ вверх видами «z», «o» и «x» и, отражаясь от внутренней ионосферы, возвращаются на спутник. Данное распространение происходит в частотном диапазоне между частотами отсечки всех трех компонент магниторасщепленного сигнала и соответствующими критическими частотами ионосферы. Следы обыкновенной и необыкновенной компонент магниторасщепленной волны являются одинаково законченными, несут информацию об ионосфере на интервале от высоты ИСЗ до высоты . Поведение следа «z»-волны отличается от случая зондирования с высот порядка 1000 км. При внутреннем радиозондировании в большинстве случаев «z»- компонента так же, как и «х»- и «о»-компоненты достигает максимума ионосферы и от него отражается, т. е. достигает своей критической частоты . Такое поведение «z»-волны до эксперимента на ОК «Мир» ранее не наблюдалось. В некоторых случаях «z»-компонента обрывалась, видимо, вследствие сильного поглощения радиоволн.

 Спутниковые ионограммы с высоты ниже с обозначенными следами отражения -10

Рис. 1. Спутниковые ионограммы с высоты ниже с обозначенными следами отражения



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.