Исследование фазовых и поляризационных характеристик радиосигнала при трансионосферном распространении по данным GPS, спутниковых высотомеров и ионосферного моделирования тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Российская Академия Наук

Сибирское отделение Учреждение Российской академии наук Институт солнечно-земной физики СО РАН

На правах рукописи УДК 550.388.2

Яскжевич Юрий Владимирович

Исследование фазовых и поляризационных характеристик радиосигнала при трансионосферном распространении по данным GPS, спутниковых высотомеров и ионосферного моделирования

Специальность 01.04.03 - Радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физийо-математических наук

Иркутск - 2009

2 8 Шм ?пг)г 1 21ПЗ

003471276

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук, профессор Афраймович Эдуард Леонтьевич

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук,

профессор Афанасьев Николай Тихонович,

Иркутский государственный университет

Доктор физико-математических наук,

профессор Куницын Вячеслав Евгеньевич,

Московский государственный университет

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН

Защита состоится "2'' июня 2009 г. в "14" часов на заседании диссертационного совета Д 003.034.01 при Учреждении Российской академии наук Институте солнечно-земной физики СО РАН (664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 126а, ИСЗФ СО РАН). С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСЗФ СО РАН

Автореферат разослан апреля 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат физико-математических наук Поляков В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Ионосфера существенно влияет на трансионосферные радиосигналы, в том числе радиоастрономические, в метровом и декаметровом диапазоне длин волн. Более длинные волны отражаются в области максимума электронной концентрации и не проходят через ионосферу Земли, а для более коротких волн из-за обратной зависимости ионосферных эффектов от частоты ионосфера становится практически «прозрачной». Чтобы преодолеть «ионосферный барьер» в радиоастрономии, всерьез рассматривается идея создания «искусственной дыры» в ионосфере с помощью выброса специальных химических

веществ.....[1], ...что,_очевидно, не предоставляет возможности для

систематических наблюдений.

Фокусировка трансионосферных сигналов на частотах, близких к критической, приводит к заметной амплитудной модуляции [2], однако при повышении частоты влияние фокусировки становится незначительным. Достаточно значимы также амплитудные мерцания, обусловленные рассеянием на мелкомасштабных ионосферных неоднородностях, расположенных на высотах максимума ионизации. Однако в метровом диапазоне глубина амплитудных мерцаний в обычных условиях незначительна, а период мерцаний (1-КЗО с) достаточно мал, что позволяет компенсировать влияние мерцаний трансионосферных радиосигналов с помощью хорошо известных и достаточно простых способов обработки сигнала.

В случае линейно или эллиптически поляризованного сигнала более значимым может оказаться амплитудный эффект, обусловленный вращением плоскости поляризации (эффектом Фарадея).

В диссертации основное внимание уделяется дополнительному набегу фазы и изменению поляризации в ионосфере Земли. В приближении геометрической оптики задача определения дополнительного набега фазы сигнала сводится к классической задаче -определению полного электронного содержания (ПЭС) вдоль направления распространения. Общепринятая единица ПЭС 1 TECU (total electron content unit) равна 1016 м"2. Эффект фарадеевского вращения в приближении квазипродольного распространения может быть также рассчитан на основе данных ПЭС и модели магнитного поля Земли.

ПЭС можно либо непосредственно измерить, либо рассчитать, используя ионосферные модели. Одним из основных классических

средств радиозондирования ионосферы являются ионозонды. Однако они позволяют рассчитать локальную электронную концентрацию и ПЭС только до высоты максимума слоя F2; кроме того, распределение ионозондов по земной поверхности достаточно редкое. Радары некогерентного рассеяния, как наиболее совершенные системы, позволяющие измерить электронную концентрацию практически во всем диапазоне высот ионосферы, получили еще меньшее распространение из-за высокой стоимости создания и эксплуатации.

В настоящее время ситуация существенно изменилась. Появились средства непрерывного и глобального мониторинга ионосферы по данным навигационных систем GPS, ГЛОНАСС [3] (в ближайшие годы GALILEO), двухчастотных спутниковых высотомеров (Topex/Poseidon, Jason-1 [4]), а также специализированных низкоорбитальных искусственных спугников Земли (CHAMP, SAC-C и др.), предназначенных для исследования ионосферы. Данные GPS широко используются не только для изучения ионосферы [5], но и непосредственно для тестирования фазовых искажений в трансионосферном канале систем навигации и радиопеленгации. В ряде систем для расчета ПЭС используются простейшие модели ионосферы. Например, в одночастотных навигационных приемниках системы GPS для этих целей используется модель Клобучара [6], разработанная еще в 1968 г. Однако точность таких моделей сравнительно невелика. В настоящее время разработаны более совершенные ионосферные модели, такие как NeQuick и международная справочная модель IRI [7], широко используемые в расчетах параметров KB радиотрасс. Каждый из упомянутых методов определения ПЭС имеет свои погрешности и ограничения. Кроме того, отсутствует эталон, позволяющий получить абсолютную ошибку измерения (расчета) ПЭС, поэтому необходимо взаимное тестирование различных методов.

Таким образом, несмотря на множество современных методов измерений и расчета ПЭС, развитие радиотехнических систем значительно опережает совершенствование их ионосферной поддержки; особенно остро это проявляется в радиоастрономических системах. Это входит в противоречие с все возрастающими требованиями к точности анализа амплитудного профиля излучения радиоисточников, угловому и поляризационному разрешению радиоастрономических интерферометров нового поколения (LOFAR [http://www.astron.nI/p/lofarfTame.htm/], SKA [8]). В равной степени это относится и к современным прикладным радиосистемам, использующим трансионосферные радиосигналы

(одночастотные спутниковые высотомеры, радиолокационные системы с синтезированной апертурой, системы радиосвязи и другие).

Предметом настоящей диссертации являются фазовые и поляризационные характеристики радиосигнала при трансионосферном распространении, исследуемые на основе анализа данных спутниковой радионавигационной системы GPS, спутниковых высотомеров (Jason-1, Topex/Poseidon), ионосферной модели IRI и модели магнитного поля IGRF.

Цель работы:

Исследование изменения фазы и поляризации радиосигналов при трансионосферном распространении и разработка методов коррекции - этих, характеристик , на _ основе анализа данных GPS, спутниковых высотомеров и ионосферного моделирования. Тестирование моделей ионосферы IRI-2001 и IRI-2007 и взаимное тестирование карт ПЭС, рассчитываемых по данным GPS различными лабораториями, и спутниковых высотомеров.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Проверка адекватности определения ПЭС ионосферными моделями IRI-2001 и IRI-2007 на основе сравнения с данными спутниковых высотомеров, региональных (US-ТЕС) и глобальных (Global Ionosphere Maps, GIM) карт ПЭС. Взаимное тестирование данных спутниковых высотомеров и GIM.

2. Разработка методов, алгоритмов и программного обеспечения для расчета дополнительного поворота плоскости поляризации и фазового запаздывания в ионосфере на основе совместного использования данных GPS, спутниковых высотомеров, а также ионосферных моделей IRI-2001, IRI-2007, и модели магнитного поля IGRF-10.

3. Анализ изменения фазы и поляризации радиосигналов при трансионосферном распространении для спокойных и возмущенных геомагнитных условий.

Методы исследования

В диссертации для определения экспериментальных значений ПЭС использовались данные отдельных приемных станций GPS, данные глобальных (GIM) и региональных североамериканских (US-ТЕС) карт ПЭС, рассчитываемых по данным GPS, данные спутниковых

высотомеров Jason-1 и Topex/Poseidon. Для модельных расчетов ПЭС использовались две модификации международной справочной модели IRI (IRI-2001 и IRI-2007), для расчета вектора напряженности магнитного поля Земли - модель IGRF-10 [9].

Научная новизна исследования

1. Впервые для полного 23-го цикла солнечной активности проведено взаимное сравнение ПЭС по данным GPS, спутниковых высотомеров Jason-1 и Topex/Poseidon и ионосферных моделей IRI-2001, IR1-2007.

2. Впервые разработаны методы, алгоритмы и программное обеспечение для расчета дополнительного поворота плоскости поляризации и фазового запаздывания в ионосфере на основе совместного использования данных GPS, спутниковых высотомеров, а также ионосферных моделей IRI-2001 и IRI-2007 и модели магнитного поля IGRF-10.

3. Впервые на этой основе проведена оценка изменения фазы и поляризации трансионосферных радиосигналов. Оценен период амплитудной модуляции радиоастрономических сигналов линейной поляризации и искажения амплитудного профиля солнечного радиоизлучения при приеме на антенну линейной поляризации, а также рефракционные ошибки радиоинтерферометров. Показано, что даже в невозмущенных геомагнитных условиях для некоторых значений углового положения дискретных источников ионосферный вклад в изменение поляризации по порядку величины сравним с вкладом межзвездной среды.

4. Впервые предложен способ компенсации дополнительного набега фазы и поворота плоскости поляризации радиосигналов при трансионосферном распространении на основе анализа сигналов реперных радиоисточников, отличающийся тем, что в качестве реперного используются сигналы спутников радионавигационных систем, находящихся на минимальном угловом расстоянии от источника. Для направлений на источник, где отсутствуют экспериментальные данные, в диссертации предложено использование современных моделей ионосферы IRI-2001 и IRI-2007.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Метод, алгоритмы и программное обеспечение для расчета изменения фазы и поляризации радиосигналов при трансионосферном распространении, основанный на совместном использовании данных

спутниковых радионавигационных систем, спутниковых высотомеров, ионосферных моделей IRI-2001 и IRI-2007 и модели магнитного поля IGRF.

2. Результаты взаимного тестирования данных GPS, спутниковых высотомеров, ионосферных моделей IRI-2001 и IRI-2007.

3. Результаты оценки изменения фазы и поляризации радиоастрономических сигналов в метровом диапазоне для различных геофизических условий.

4. Метод адаптации радиотелескопов и радиоинтерферометров к изменяющимся условиям трансионосферного распространения, отличающийся от существующих методов использованием в качестве источников реперных сигналов спутников навигационных систем, находящихся на минимальном угловом расстоянии от исследуемого радиоисточника, - а в направлениях, не обеспеченных измерениями, использованием ионосферных моделей.

Достоверность и обоснованность основных результатов и выводов работы обусловлена использованием физически обоснованных методов, современных ионосферных моделей (IRI-2001 и IRI-2007) и представительной статистикой экспериментальных данных GPS и спутниковых высотомеров Торех и Jason-1 за 23-й цикл солнечной активности. Полученные в экспериментах физические характеристики находятся в качественном и количественном согласии с результатами исследований, опубликованных ранее другими авторами.

Практическая ценность работы

Результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы для решения задач адаптации к меняющимся условиям неоднородной и нестационарной ионосферы различных радиосистем (радиотелескопы и радиоинтерферометры со сверхдлинной базой, одночастотные спутниковые высотомеры, радиолокационные системы с синтезированной апертурой). Другое важное направление возможного использования результатов - тестирование и коррекция ионосферных моделей.

Внедрение результатов:

Результаты, полученные в диссертации, используются при выполнения следующих проектов:

1. Бюджетная НИР «Развитие имеющихся и создание новых высоко информативных радиофизических методов и средств диагностики

околоземного космического пространства» (Научные руководители -академик Г.А. Жеребцов, чл.-корр. РАН А.П. Потехии).

2. Проект «Радиофизические методы исследования динамических процессов в верхней атмосфере», Программа IV. 13 ОФН РАН Проблемы радиофизики, Раздел 2: Радиофизические методы в дистанционном исследовании окружающей среды (Научный руководитель - чл.-корр. РАН А.П. Потехин).

3. Инициативный проект РФФИ N 07-05-00127 «Глобальное электронное содержание и солнечная активность» (Научный руководитель - проф. Афраймович ЭЛ.).

4. Индивидуальный исследовательский грант № 111-02-000/8-03 Иркутского государственного университета «Адаптивная радиоастрономия» (Научный руководитель - Ясюкевич Ю.В.).

5. ОКР «Разработка технических предложений на создание аппаратно-программного комплекса и технологии для идентификации ионосферных возмущений с использованием сигналов GPS и ГЛОНАСС». ФЦП «Создание и развитие системы мониторинга геофизической обстановки над территорией Российской Федерации на 2008-2015 годы» (Научный руководитель - проф. Афраймович Э.Л.).

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены в виде выступлений, докладов и тезисов докладов на следующих семинарах, научных и научно-технических конференциях:

Научный семинар отдела 1.00 ИСЗФ СО РАН; Научный семинар ИЗМИРАН; Научный семинар кафедры атмосферы физического факультета МГУ; Научный семинар Путинской радиоастрономической обсерватории: IGS Workshop, Darmstadt, Germany, 2006; IX конференции молодых ученых " Физические процессы в космосе и околоземной среде ", БШФФ-2006; EGU General Assembly, Vienna, Austria, 2007, 2008; CESRA Workshop on "Solar Radio Physics and the Flare-CME Relationship", loannina, Greece, 2007; IRI/COST 296 WORKSHOP, Prague, the Czech Republic, 2007; XIV международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Бурятия. 2007; Scientific Meeting of the IAG General Assembly 2007, Perugia, Italy, 2007; IV международная конференция «Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений», с. Паратунка Камч. обл., 2007; International Beacon Satellite Symposium, Boston, USA. 2007; Eighth Chinese-Russian Workshop on Space Weather, Beijing, China, 2007; Всероссийская астрономическая конференция BAK-2007, Казань, 2007; X Конференция молодых ученых "Современные

проблемы в астрофизике и физике космической плазмы", БШФФ-2007, Иркутск, 2007; Fourth European Space Weather Week, Brussels, Belgium, 2007; Scientific workshop - Astrophysics with E-LOFAR, Hamburg, Germany, 2008; 37th COSPAR Scientific Assembly, Montreal, Canada, 2008; XXII Всероссийская конференция "Распространение радиоволн", п. Лоо, Краснодарский край, 2008; XXIX General Assembly of the International Union of Radio Science, Chicago, USA, 2008.

Личный вклад автора. Основные результаты диссертации, опубликованные в 18 работах, являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. В том числе 5 работ опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов: Радиофизика. Изв. ВУЗов; Доклады _ Академии Наук; Journal of Atmospheric and Solar-terrestrial Physics; Геомагнетизм и аэрономия; Armales Geophysicae. —-—

Автору принадлежит:

1. Взаимное сравнение данных GPS, спутниковых высотомеров и моделей ионосферы IRI-2001 и IRI-2007.

2. Разработка программного комплекса для расчета дополнительного набега фазы и поворота плоскости поляризации радиосигналов при трансионосферном распространении на основе данных GPS, спутниковых высотомеров, ионосферных моделей IRI-2001, IRI-2007, и модели магнитного поля IGRF-10.

3. Оценка изменения параметров трансионосферных радиосигналов в ионосфере Земли на основе использования разработанного в диссертации программного комплекса.

4. Оценка применимости предложенного в диссертации метода при несовпадении лучей на исследуемый и реперный источники.

Автор принимал непосредственное участие в разработке программ и проведении исследований по глобальному электронному содержанию, результаты которых использовались в диссертации для сравнения с данными спутниковых высотомеров я взаимного тестирования различных средств определения ПЭС.

При проведении исследований, представленных в настоящей диссертации, автором были частично использованы программы И.В. Живетьева, A.B. Ойнаца, П.В. Татаринова.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав основного материала, заключения, списка цитируемой литературы, содержащего 131 ссылку. Общий объем диссертации - 179 страниц, включая 10 таблиц, 44 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, раскрыта ее актуальность, сформулированы цель диссертации и решаемые задачи, определены положения, выносимые на защиту, приведено краткое содержание.

В первой главе рассматривается влияние ионосферных эффектов на параметры радиосигналов при трансионосферном распространении. Приводится обзор классических методов исследования качественных и количественных характеристик трансионосферного радиоканала. Обсуждаются достоинства и недостатки существующих методов, а также возможности их применения для анализа и прогнозирования изменения параметров радиосигнала при трансионосферном распространении. Дана постановка задачи исследования.

Во второй главе дан обзор современных методов определения ПЭС. Рассмотрена методика определения ПЭС по данным навигационных приемников GPS; карт GIM, рассчитанных на основе данных GPS; спутниковых высотомеров. Приведены сведения о международной справочной модели ионосферы 1RI и наиболее современной модели магнитного поля Земли IGRF-10.

Третья глава посвящена взаимному тестированию данных GPS, спутниковых высотомеров и ионосферных моделей IRI-2001 и IRI-2007. Проведено взаимное сравнение данных спутниковых высотомеров Jason-1 и Topex/Poseidon; данных GPS и спутниковых высотомеров; данных региональных карт ПЭС US-ТЕС с глобальными картами ПЭС GIM и результатами ионосферного моделирования IRI-2001 и IRI-2007. Отсутствие абсолютного эталона не позволяет нам сделать вывод о том, какие из средств позволяют получать «истинное» ПЭС, но настоящий анализ позволяет выявить систематическое расхождение между различными видами измерений ПЭС, а также измерениями и моделированием.

Для сравнения данных Topex/Poseidon и Jason-1 за все время одновременного нахождения спутников на орбите использовался метод расчета Среднего Глобального ПЭС <1сш> (рис. 1).

Ф Topex/Pnscidon • Jason-1

а

i

* Год

2002

2003

2004

б ^ 0.12 -

I 0.08 -* 0.04 -" 0-

. 0.16 -

А

в

-5 -4-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 -AI, TECU-

-20 -10 0 10 20 -<ДШ>,-%_

Рис. 1. Среднее глобальное значение ПЭС </с,\/т> (Л)> рассчитанное по данным спутниковых высотомеров Т/Р и Jason-1, и нормированные функции плотности вероятности распределения абсолютного (б) и относительного (в) отклонения Среднего Глобального ПЭС <1вш>, полученного по данным Jason-1 и Topex/Poseidon.

Наиболее вероятное значение отклонения разности <1смг> Topex/Poseidon и Jason-1 приходится на 0.1 TECU, средняя разность равна 0.02 TECU при среднеквадратичном отклонении 0.87 TECU. Это свидетельствует о том, что калибровка двух высотомеров была выполнена достаточно хорошо.

На рис. 2 приведена функция вероятности распределения абсолютного (а) и относительного (б) отклонения данных спутниковых высотомеров и карт GIM, созданных различными лабораториями (CODG, JPLG, UPCG, ESAG). Серая кривая — р{1Ait-/upco)> черная тонкая кривая — Р(/А1Г/езлсХ пунктирная кривая - p(/Ait-/jpLG), черная жирная кривая -P(/au-/codg)- Для GIM карт CODG максимум функций абсолютного и относительного распределений приходится на 2.5 TECU и на 8.5%, соответственно; ESAG - 3 TECU, 14.5%; JPLG - 0 TECU, 3%; UPCG - 2 TECU, 6%. Кроме того, различна и полуширина распределений. Т.о., ПЭС, полученное по данным высотомеров, в среднем превышает ПЭС глобальных карт.

ссшс;

0.025

- - №1.0 -а 0.02

1;рс° " 0.015 Е5ЛС 5

5 0,01

I ' !

-30 -20 -10 0 10 20 30

<Д1>, ТЕСУ

-100-75-50-25 0 25 50 75 100

<Л1Л>, %

Рис. 2. Функции вероятности распределения абсолютной (а) и относительной (б) разности ПЭС Д/ по данным спутниковых высотомеров и карт ИМ, рассчитанных различными лабораториями, за период со 2 мая 1998 г. по 31 декабря 2007 г.

Часть Главы 3 посвящена тестированию моделей Ш1-2001 и 1Ы-2007 на основе данных спутниковых высотомеров. Было получено, что систематическое превышение экспериментальных данных ПЭС спутниковых высотомеров над модельными данными 1М-2001 и Ш1-2007 составляет ~3 ТЕСи (рис. 3).

0.1 0.08 < 0.06 1 0.04 ¿0.02 0

Ш-2001 1К1-2007 0.016 -

Л <4Г»>МТЕСи Я «•др»« 1Ш) 0.012 -

0-193 ТШ» / 1

ие^рз.отвси/ ! 5 0.008 -

Г)»17ТЕП; / 0-«втеСИ

0.004 -0-

а ■■Г ■ 1", 1 . 1 Г Т'- 1 ' '¡~Г~1 р-

-40-30-20-10 0 10 20 30 40 Л1, ТЕСи

г

150-100-50 0 А1Л,

50 100 150

10 20 30 Д1. ТЕСИ

Рис. 3. Дифференциальные (а, б) и интегральные (в, г) распределения абсолютной АI (а, в) и относительной Л/// (б, г) разности значений ПЭС по данным спутниковых высотомеров /А1, и модели 1Ы /цц за период с 10 августа 1992 г. по 31 декабря 2007 г.

Максимум дифференциальной функции плотности вероятности распределения р(А1) для IRI-2001 приходится на значение AI - 3 TECU, для IRI-2007 - А 1=3.5 TECU (рис. За). Среднее значение разности экспериментальных и модельных значений ПЭС <Д/> для модели IRI-2001 равно 3.4 TECU, для IRI-2007 - 5.2 TECU, при СКО 10.3 и 10.9 TECU, соответственно. То есть, модель в целом дает заниженные значения ПЭС над океаном. Среднее значение относительной ошибки <ЛШ> (рис. 36) составляет 12.8% для IRI-2001 и 21.4% для IRI-2007, наиболее вероятное значение AI/I- 27% (IRI-2001) и 32% (IRI-2007), СКО 41% (IRI-2001) и 39.8% (IRI-2007).

На панелях в, г представлена интегральная функция распределения абсолютной F(AI) и относительной ошибки F{AI/I) модели IRI. Относительная ошибка IRI-2001 меньше 40% имеет место только в 69%

-измерений,_IRÍ-2007 _ в 67% измерений. Достаточно большая

погрешность обусловлена, скорее всего, малым числом экспериментальных данных над территорией океана, которые были использованы при разработке модели IRI.

На рис. 4 в системе локального времени (а-в) и в системе локального времени dT утреннего солнечного терминатора (СТ) на высоте 300 км (г-е) приведена зависимость среднеквадратичного отклонения о (а, г), среднего абсолютного отклонения <Д/> (б, д) и относительного отклонения <ДШ> {в, е) значений ПЭС по данным спутниковых высотомеров и ПЭС по данным GIM и IRI. Серая кривая - IRI-2001, черная пунктирная кривая - IRI-2007, черная сплошная кривая - GIM CODG, черные точки - GIM JPLG.

Суточный ход СКО в системе локального времени LT (рис. 4а) близок по форме к типичному суточному ходу ионизации. Зависимость <AI(LT)> для модели IRI (рис. 46) характеризуется значительным провалом в интервале 4-10 часов LT. В остальное время зависимость <А1> слабо зависит от LT. Стоит отметить превышение значений <А1> для IRI-2007 над соответствующими значениями для IRI-2001. Для GIM суточная динамика выражена достаточно слабо.

В системе локального времени утреннего солнечного терминатора на высоте 300 км (рис. Лг-е) хорошо видно, что провал <Л/> (рис. 4д), характерный для модели IRI, начинается за час до прихода утреннего солнечного терминатора и продолжается в течение семи часов после прохождения СТ. Глубина провала составляет ~5 TECU. В момент прихода СТ зависимость <А1> для GIM в системе локального времени солнечного терминатора также как и для IRI характеризуется провалом, но менее выраженным.

-1-1-1 j I I

8 12 16 20 24 LT. часы

О

К

8

6 н

4 2 0 -2

О Й

0 4

ft 4 2 -0 -2

12

16 20 24 LT, часы

-12 -8 -4 ;0 4 8 12

i dT, часы

0.6 -i 0.4 0.2 О -0.2

0.6 -i

ч* S 0.4 -

$

0.2-

0 -

<з

V

-0.2

-4 О

i 1 i ! i 4 8 12 dT. часы абсолютного <Д1> и

• ' I ' . 1 *

О 4 8 12 16 20 24 -12 -8

[Д, часы

Рис. 4. Суточная динамика СКО а, относительного отклонения <Д1Л> ПЭС по данным спутниковых высотомеров и ПЭС по данным карт СТМ и моделирования; а-в - в системе локального времени; г-е - в системе локального времени с!Т утреннего солнечного терминатора на высоте 300 км (1992-2008 гг.).

Это означает, что существует значительная суточная динамика абсолютной и относительной ошибки в модели IRL

Было проведено сравнение данных глобальных и региональных североамериканских карт, а также модели IRI. На рис. 5 представлено среднее региональное ПЭС -^/gmt^ Для территории северной Америки. Черными и серыми точками - данные для GIM CODG и US-ТЕС, черной кривой - для модели IRI-2007. Значения </Смт> для US-TEC, GIM CODG и IRI-2007 достаточно близки. Наибольшее расхождение US-ТЕС и IRI-2007 наблюдается для лета 2006 г. В целом над территорией суши имеет

место хорошая согласованность модельных и экспериментальных данных.

Рис. 5. Среднее региональное значение ПЭС <1смт> для территории Северной Америки, рассчитанное по данным глобальных карт ПЭС GIM CODG, северо-американских карт ПЭС US-ТЕС, а также модели IRI-2007.

В таблицу 1 мы свели среднее абсолютное и относительное отклонение данных различных средств. Только за счет глобального усреднения удалось выявить систематическое расхождение данных различных средств, которое невозможно определить, анализируя данные в отдельной точке.

Глава 4 посвящена экспериментальному исследованию фазовых и поляризационных искажений трансионосферных сигналов.

В первом разделе Главы 4 рассмотрены искажения регистрируемого амплитудного профиля солнечного радиоизлучения вследствие изменения поляризации на примере солнечной вспышки Х38 17 января 2005 г. Показано, что на частоте 230 МГц смещение максимума амплитудного профиля, регистрируемого антеннами линейной , поляризации, достигает 12 минут относительно данных радиоспектрографа с антенной круговой поляризацией Айепш-1У.

Профили радиоизлучения вспышки 17 января 2005 г., зарегистрированные с помощью антенн линейной и круговой поляризации, существенно отличаются друг от друга по форме и положена максимума (рис. 66-д). Эти отличия увеличиваются с уменьшением частоты радиоизлучения и с ростом расстояния между станциями.

Таблица 1. Абсолютное (ТЕСи)/относительное (%) среднее отклонение значений ПЭС по данным различных средств._

J-l-T/P GIM US-TEC IRI-2001 IRI-2007

J-1,T/P J-l-T/P 0.02±0.87 /0.5±3 CODG: 3.1+8.6(2.5) /16.6± 32.1 (8.5) ESAG: 4±9.3 (3.0) /14.5±34.2 (14.5) JPLG: 0.3±7.4 (0.0) /2.14±28.2 (3.0) UP CG: 2.3±7.9 (2.0) /11.1±29.0(6.0) - 3.4±9.7 (3.0) /12.8±39 (27.0) 5.1±9.6 (3.5) /21.4±33.4 (32.0)

GIM CODG-JPLG: -3.0±1.5/-13.7±5.7 CODG-ESAG: 0.7±1.2/2.6+4.0 CODG-UPCG: -0.9±1.6/-3.0±4.9 CODG: 0.5±2.5/ 0.3±59.8 JPLG: 2.9±2.4 /27.3±19.7 CODG-U S: -2.9±4.3/ -20.0±24.4 CODG-U I S: 2.4±4.7/5.1±17.0 CODG-U I noS: 2.6±4.7/5.8±16.9 CODG-U NQ S: 3.5±4.7/10.8±14.6

US-TEC Примечания: 1. В скобках даны наиболее вероятные значения разности ПЭС по данным различных средств. 2. J-1 - Jason-]; T/P - Topex/Poseidon. 3. U - URSI, С - CCIR. 4.1 - IRI topside, NQ -NcQuick topside. 5. S - модель шторма включена; noS-модель шторма отключена. -1.3±3.0/ -13.2±28.9 0.1±2.3/ 2.0±24.3

IRI-2001 URSI-CCIR -0.1±0.7/ -0.03±2.35 U, S,I 5.3±l.l/20.5±3.3

1RI-2007 - U I S-C I S: 0.1±0.6/0.6±2.5 U I S-U I noS: 0.2±0.3/0.9±l.l U I S-U NQ_S: 1.0±0.8/5.6±4.5 С NQ_S -С I S: -0.9±0.3/-5.5±3.9

Отмеченные амплитудные искажения не связаны с особенностями спектра излучения Солнца или возможным сдвигом временной шкалы в разнесённых станциях, но зависят от поляризационных характеристик антенн и их пространственного разноса; последнее может быть обусловлено только влиянием ионосферы. Стоит отметить хорошее совпадение опорного профиля и профиля, зарегистрированного

специализированным солнечным радиоспектрографом АйепнБ-ГУ (рис. 6д).

17 января 2005 г.

Рис. 6. Нормированные временные профили амплитуды радиоизлучения Солнца во время вспышки Х38, зарегистрированные 17 января 2005 г. на станциях ЕМУРБ на различных частотах с временным разрешением 1 мин {б-г). На панели а приведена сумма нормированных профилей, зарегистрированных на всех станциях и на всех частотах ЕМУРБ, и опорный профиль И^) (аппроксимация представленный также на панели д в сравнешш с профилем интенсивности радиоизлучения Солнца, полученным на спектрографе «АПепш-Г/».

Мы провели моделирование искажения опорного профиля. К сожалению, значения ПЭС, рассчитанные на основе модели 1Ш-2001 для данного дня, оказываются значительно меньше экспериментальных значений. Поэтому мы использовали данные глобальных карт и сделали расчет искажения амплитуды профиля радиоизлучения для района Греции и Подмосковья (ИЗМИРАН).

17 января 2005 г.

Х?Я - 09:57 UT

Рис. 7. Моделирование искажения амплитудного профиля во время вспышки Х38 17 января 2005 г. Черная сплошная кривая соответствует району Подмосковья, серая кривая - району Греции. Пунктирной кривой на панели г приведен опорный профиль (см. рис. 6а, д).

Мы взяли среднее значение вертикального ПЭС для Греции и для Подмосковья (рис. 1а, серая и черная кривые, соответственно), после чего перевели его в наклонное (рис. 16). Далее был проделан комплекс расчетов и получена модулирующая функция ионосферы для частоты 230 МГц (рис. 7в). После умножения модулирующей функции для разных регионов на опорный профиль (рис. 1г, пунктирная кривая) были получены профили, которые могли быть зарегистрированы антеннами

инейной поляризации в Греции и Подмосковье (рис. 1г). Наши расчеты оказывают, что за счет ионосферы смещение максимума профиля адиоизлучения может достигать ~ 20 минут.

Во втором и третьем разделе Главы 4 представлены результаты асчета фазовых и спектральных характеристик радиоизлучения искретных источников, а также ионосферная ошибка определения лового местоположения радиоисточника при радиоинтерферометрии со верхдлинной базой для конкретных условий эксперимента на основе анных GPS и моделирования с использованием IRI-2001. Показано, что шибка углового позиционирования дискретного радиоисточника, бусловленная дополнительным набегом фазы в ионосфере, на порядок ревышает потенциальное разрешение радиотелескопов нового околения.

-На рис.-8 приведены вариации полного элеиронного содержания и

»условленные ими искажения параметров радиосигнала в ионосфере" емли во время главной фазы большой магнитной бури 30 октября 2003 г. районе радиотелескопа Arecibo. Панели а, в - наклонное ПЭС I(t) ирные кривые - данные GPS станции PUR3, тонкие кривые - модель RI-2001); б, г - мера вращения RM{1) (жирные кривые -кспериментальные данные, тонкие кривые - приближенный расчет IRI-001, пунктирные кривые - точный расчет IRI-2001); д - азимут a(t) и ол места %(t) луча зрения от станции PUR3 на ИСЗ PRN01 (тонкая и ирная линии соответственно); е, ж, з - рассчитанные для частоты 100 Гц фазовое запаздывание A<p(i), угол поворота плоскости поляризации (0 и модулирующая функция M{t), соответственно (обозначения те же, о на панелях б иг, пунктирная кривая на панели с - зависимость cos0(Y), де 0 - угол между магнитным полем и радиолучом).

Как видно из рис. 8, период Фарадеевской амплитудной модуляции f(t) в интервале времени 21+22 UT достигал 200+300 с, (рис. 8з), ополнительное фазовое запаздывание в ионосфере 2 -104 рад, поворот лоскости поляризации 150 рад (рис. 8е). При таких малых значениях ериода (200+300 с) вариации амплитуды принимаемого сигнала могут ыть ошибочно приняты за амплитудные мерцания, вызванные ассеянием на мелкомасштабных неоднородностях. Это может, в свою чередь, привести к неадекватному использованию известных методов омпенсации мерцаний при наблюдениях пульсаров, а также к ошибкам ценки интенсивности и характерных размеров неоднородностей лектронной концентрации при исследовании характеристик солнечного етра или межзвездной среды. Экспериментальное значение меры ращения достигает 10б МГц-рад. Это значение сопоставимо, а в

отдельных случаях значительно превосходит меру вращения в межзвездной среде для отдельных пульсаров [10].

РШЗ, 30 октября 2003 г.

50-

7 8 3 1С 11 16 17 18 19 20 21 22

Время, ОТ Время, ОТ

Рис. 8. Искажение параметров радиосигнала частоты 100 МГц в районе радиотелескопа АгешЬо для магнитной бури 30 октября 2003 г.

В главе 5 описан предложенный в диссертации метод адаптации радиотелескопов и радиоинтерферометров к изменяющимся условиям трансионосферного распространения, принципиальное отличие которого от существующих методов заключается в использовании сигналов спутников навигационных систем, находящихся на минимальном угловом расстоянии от исследуемого радиоисточника, в качестве реперных сигналов. Поясняющая схема представлена на рис. 9.

Рис. 9. Схема адаптации радиотелескопов и радиоинтерферометров к изменяющимся условиям трансионосферного распространения.

Для интерполяции данных в направлениях, в которых отсутствуют экспериментальные измерения, в диссертации предложено использование современных моделей ионосферы 1111-2001 и Ш-2007. Показано, что при использовании предложенного метода относительная ошибка составляет менее 5% при угловом расстоянии между реперным источником и исследуемым объектом менее 15°.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные при работе над диссертацией:

1. Взаимное тестирование данных GPS, спутниковых высотомеров и ионосферных моделей за 23-й цикл солнечной активности показало, что:

- над океаном относительно данных спутниковых высотомеров ошибка Ш1-2001 меньше 40% имеет место в 69% измерений, Щ1-2007 - в 67% измерений, СИМ СООО - 77%;

- глобальные карты позволяют определить ПЭС над океаном с точностью не хуже 5 TECU. Наиболее вероятное значение разности значений ПЭС, полученных по данным высотомеров и карт GIM, существенно отличается для различных лабораторий: для данных CODG ' максимум разности приходится на 2.5 TECU, ESAG - 3 TECU, JPLG - 0 j TECU, UPCG - 2 TECU. Для модели IR1-2001 эта разность составляет 3 TECU, IRI-2007 - 3.5 TECU;

- над территорией суши значения ПЭС по глобальным картам GIM CODG, US-ТЕС и модели IRI-2007 достаточно близки. Среднее значение

J

разницы ПЭС по данным CODG и US-ТЕС равно 0.49±2.49 TECU, GIM CODG и IRI-2007 - 0.97±4.02 TECU, IRI-2007 и US-ТЕС - -0.11*2.27 TECU;

- существует значительный суточный ход ошибки в моделях IRI-2001 и IRI-2007, особенно вблизи утреннего терминатора. Амплитуда вариаций абсолютной ошибки, обусловленных отличием роста ионизации в модели и в реальной ионосфере при прохождении утреннего солнечного терминатора, составляет ~5 TECU. Карты GIM также характеризуется вариацией абсолютной ошибки во время прохождения СТ, но менее выраженной по сравнению с IRI.

2. Впервые разработаны методы расчета дополнительного набега фазы и поворота плоскости поляризации радиосигнала, основанные на совместном использовании данных GPS, спутниковых высотомеров, ионосферных моделей IRI-2001 и IRI-2007 и модели магнитного поля IGRF.

3. При анализе изменения параметров трансионосферных (радиоастрономических) радиосигналов для конкретных условий эксперимента на основе разработанных методов показано, что:

- период амплитудной модуляции радиоастрономических сигналов линейной поляризации при приеме на антенну линейной поляризации меняется в широких пределах - от периода акустико-гравитационных волн (10-60 мин) в спокойных условиях до периода мерцаний (десятки и сотни сек) во время сильных магнитных бурь. При периодах в десятки секунд вариации амплитуды принимаемого сигнала могут быть ошибочно приняты за амплитудные мерцания, вызванные рассеянием на мелкомасштабных неоднородностях;

- амплитудные искажения, обусловленные вращением плоскости поляризации, приводят к искажению динамического спектра радиоизлучения, в том числе к появлению ложной «зебра-структуры». Кроме того, смещение максимума амплитудного профиля интенсивности солнечного радиоизлучения для протяженных солнечных вспышек в результате модуляции сигнала может достигать 10 минут;

- показано, что дополнительный набег фазы радиосигналов в ионосфере приводит к ошибке углового позиционирования источника при работе интерферометров со сверхдлинной базой, на порядок превышающей его потенциальную точность.

4. Предложен метод адаптации радиотелескопов и радиоинтерферометров к изменяющимся условиям трансионосферного распространения, принципиальное отличие которого от существующих методов заключается в использовании сигналов спутников

навигационных систем, находящихся на минимальном угловом расстоянии от исследуемого радиоисточника, в качестве реперных сигналов. Для интерполяции данных в направлениях, в которых отсутствуют экспериментальные измерения, в диссертации предложено использование современных моделей ионосферы 1Ш-2001 и 1Щ-2007. Показано, что при использовании предложенного метода относительная ошибка определения поляризационного угла составляет менее 5% при угловом расстоянии между реперным источником и исследуемым объектом менее 15°.

Публикации по теме диссертации

1. Афраймович Э.Л., Татаринов П.В., Ясюкевич Ю.В. Влияние ионосферы на радиоастрономические сигналы при различных уровнях солнечной и геомагнитной активности // Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений: IV междунар. конф., с. Паратунка, Камч. обл., 14—17 авг. 2007 г.: сб. докл. - Петропавловск-Камч.: ИКИР ДВО РАН. 2007. С. 239-244.

2. Afraimovich E.L., Yasukevich Y.V., Tatarinov P.V. Determination о ionosphere transfer characteristic for radio astronomical signals by GPS signals sounding // Proceedings of the International Beacon Satellite Symposium. 2007. Editor: Doherty, P.H. Boston College, June 11-15, 2007.

3. Afraimovich E.L., Nomicos C., Ruzhin Yu.Ya., Yasukevich Yu.V. Faraday amplitude modulation of solar radio emission in the ionosphere and method of its correction using ionosphere GPS monitoring data and IRI-2001 modeling // Proceedings of the International Beacon Satellite Symposium. 2007. Editor: Doherty, P.H. Boston College, June 11-15,2007.

4. Афраймович Э.Л., Смольков Г.Я., Ясюкевич Ю.В., Татаринов П.В. Адаптивная УКВ радиоастрономия // Труды Всероссийской астрономической конференции ВАК-2007: Казань, Изд-во КГУ. 2007. С. 489-491.

5. Афраймович Э.Л., Ясюкевич Ю.В. Адаптивная радиоастрономия. I - коррекция фазового запаздывания и поворота плоскости поляризации в ионосфере по данным GPS зондирования и ионосферного моделирования // Радиофизика и радиоастрономия. 2007. Т.7, №. 4. С. 357-374.

6. Афраймович Э.Л., Ясюкевич Ю.В. Адаптивная радиоастрономия // Труды X Конференции молодых ученых "Современные проблемы в астрофизике и физике космической плазмы": Иркутск, Изд-во ИСЗФ СО РАН. 2007. С. 81-84.

7. Афраймович ЭЛ., Ружин Ю.Я., Номикос К., Ясюкевич Ю.В. Фарадеевская амплитудная модуляция радиоастрономических сигналов в ионосфере. I- радиоизлучение Солнца // Радиофизика. Изв. ВУЗов. 2007. Т. 50, № 12. С. 1029-1042.

8. Astafyeva E.I., Afraimovich E.L., Oinats A.V., Yasukevich Yu.V., Zhivetiev I.V. Dynamics of global electron content in 1998-2005 derived from global GPS data and IRI modeling // Adv. Space Res. 2007. doi: 10.1016/j.asr.2007.11.007.

9. Afraimovich E.L., Yu.V. Yasukevich. New field of application of IRI modeling - determination of ionosphere transfer characteristic for radio astronomical signals // Adv. Space Res. 2008. doi: 10.1016/j.asr.2008.02.003.

10. Afraimovich E.L., Smolkov G.Ya., Tatarinov P.V., Yasukevich Yu.V. Influence of the ionosphere on radio astronomical signals according to GPS sounding and ionospheric modeling // Proceedings of the SPIE. 2008. V. 6936. P. 69361T-69361T-12.

11. Афраймович Э.Л., Смольков Г.Я., Ясюкевич Ю.В. Адаптивная радиоастрономия // Доклады Академии Наук. 2008. Т. 419, № 5. С. 618623.

12. Yasukevich Yu.V., Afraimovich E.L. Low Frequency Adaptive Radio Astronomy: Application for Radio Interferometers // Proceedings of XXIX General Assembly of the International Union of Radio Science. 2008. Paper JP04.1.

13. Afraimovich E.L., Yasukevich Yu.V. Using GPS-GLONASS-GALILEO data and IRI modeling for ionospheric calibration of radio telescopes and radio interferometers // Journal of Atmospheric and Solar-

Terrestrial—Physics;—2008:-V.-70,—No.-15._В._1949-196Z_

doi:10.1016/j.jastp.2008.05.006.

14. Ясюкевич Ю.В., Афраймович Э.Л. Фазовые, поляризационные и спектральные искажения трансионосферного радиосигнала по данным численного моделирования (IRI-2001, IRI-2007, IGRF) и GPS-измерений// Сборник трудов XXII Всероссийской конференции "Распространение радиоволн". 2008. Т. 2. С. 117-120.

15. Ясюкевич Ю.В., Лидина Е.В., Паламарчук К.С. Тестирование моделей ионосферы IRI-2001 и IRJ-2007 с использованием данных спутниковых высотомеров и карт полного электронного содержания // Сборник трудов XXII Всероссийской конференции "Распространение радиоволн". 2008. Т. 2. С. 121-124.

16. Afraimovich E.L., Astafyeva E.I., Oinats A.V., Yasukevich Yu.V., Zhivetiev I.V. Global Electron Content: a new conception to track solar activity // Annales Geophysicae. 2008. V. 26. P. 335-344.

17. Афраймович Э.Л., Астафьева Э.И., Живетьев И.В., Ойнац А.В., Ясюкевич Ю.В. Отклик глобального и регионального электронного содержания на изменения солнечной активности // Геомагнетизм и аэрономия. 2008. Т. 48, № 2. С. 195-208.

18. Ясюкевич Ю.В., Афраймович Э.Л., Едемский И.К. Паламарчук К.С., Татаринов П.В. Взаимное тестирование данных GPS, спутниковых высотомеров и результатов ионосферного моделирования с использованием IRI-2001 и IRI-2007 // Препринт ИСЗФ 1-09. № заказа 89 от 19.02.2009. - 36 с.

Цитируемая литература

1. Papagiannis, M.D., Mendillo М. Low frequency radio astronomy through an artificially created ionospheric window // Nature. 1975. V. 255. P. 42-43.

2. Afraimovich E.L., Udodov M.Yu. Travelling ionospheric disturbances and the effectiveness of powerful HF transmitters in ionospheric modification and radio location of the Moon // J. Atmos. Terr. Phys. 1993. V. 55, No. 1. P. 57-64.

3. Davies K., Hartmann G. K. Studying the ionosphere with the Global Positioning System // Radio Sci. 1997. V. 32, No. 4. P. 1695-1703.

4. Fu L., Christensen E.J., Yamarone C.A. Jr. TOPEX/POSEIDON mission overview // J. Geophys. Res. 1994. V. 99, No. C12. P. 24,369-24,381.

5. Афраймович ЭЛ., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск: Изд-во ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН. 2006 -480 с.

6. Klobuchar J.A. Ionospheric time-delay algorithm for single-frequency GPS users // IEEE Transactions on Aerospace and Electronics System. 1986. V. 23, No. 3. P.325-331.

7. Bilitza D., Reinisch B.W. International Reference Ionosphere 2007: Improvements and new parameters // Adv. Space Res. 2008. V. 42. P. 599-609.

8. Science with the Square Kilometre Array // Eds: C. Carilli, S. Rawlings / New Astronomy Reviews. - Elsevier, 2004. V. 48.

9. http://www.geomag.bgs.ac.uk/gifs/igrf_form.shtml

10. Манчестер P., Тейлор Дж. Пульсары. - M.: Мир, 1980. - 296 с.

Отпечатано в издательском отделе ИСЗФ СО РАН Заказ № 91 от 21 апреля 2009 г. Объем 28 с. Тираж 170 экз.

Список таблиц.

Список рисунков.

Список обозначений и сокращений.

Введение.

Глава 1. Трансионосферное распространение радиоволн.

1.1. Изменение параметров радиосигнала при трансионосферном распространении.

1.1.1. Групповое и фазовое запаздывание радиоволн в ионосфере.

1.1.2. Влияние ионосферы на частоту радиоволны.

1.1.3. Рефракция радиоволн в ионосфере.

1.1.4. Амплитуда трансионосферных радиоволн.

1.1.4.1. Изменение энергии радиоволн с расстоянием

1.1.4.2. Поглощение в ионосфере.

1.1.4.3. Замирания.

1.1.4.4. Вращение плоскости поляризации Фарадеевская амплитудная модуляция.

1.2. Степень воздействия ионосферы на параметры трансионосферных сигналов.

1.3. Классические радиофизические методы исследования ионосферы.

1.3.1. Метод вертикального и наклонного зондирования ионосферы.

1.3.2. Метод частичных отражений.

1.3.3. Метод некогерентного рассеяния.

1.3.4. Трансионосферные методы зондирования.

1.3.5. Моделирование параметров ионосферы.

1.4. Выводы по Главе 1.

Глава 2. Современные средства тестирования трансионосферного радиоканала.

2.1. Измерение полного электронного содержания на основе данных глобальной сети навигационных приемников GPS.

2.2. Глобальные и региональные карты абсолютного значения «вертикального» полного электронного содержания.

2.3. Определение полного электронного содержания на основе данных спутниковых высотомеров.

2.4. Международная справочная модель IRI.

2.5. Модель магнитного поля земли IGRF-10.

2.6. Выводы по Главе 2.

Глава 3. Взаимное тестирование данных GPS, спутниковых высотомеров и результатов ионосферного моделирования с использованием IRI-2001 и IRI

3.1. Сравнение данных спутниковых высотомеров Jasonи Topex/Poseidon.

3.2. Сравнение данных GPS и спутниковых высотомеров

3.3. Сравнение данных региональных североамериканских карт вертикального полного электронного содержания с глобальными картами ПЭС и результатами ионосферного моделирования IRI-2001 и IRI

3.4. Тестирование IRI-2001 и IRI-2007 на основе данных спутниковых высотомеров.

3.4.1. Точность модели при различном уровне солнечной и геомагнитной активности.

3.4.2. Точность модели в различных регионах земного шара.

3.4.3. Суточная динамика ПЭС в модели IRI.

3.5. Глобальное электронное содержание по данным карт GIM и модели IRI.

3.6. Сравнение данных различных средств измерения ПЭС и моделирования.

3.7. Обсуждение и выводы по Главе 3.

Глава 4. Экспериментальное исследование влияния ионосферы на фазовые и поляризационные характеристики радиоастрономических сигналов при трансионосферном распространении.

4.1. Искажения амплитудного профиля солнечного радиоизлучения на примере солнечной вспышки Х38 17 января 2005 г.

4.2. Искажения фазовых и спектральных характеристик радиоизлучения дискретных источников при различных условиях эксперимента.

4.3. Ионосферная ошибка определения углового местоположения радиоисточника при радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой.

4.4. Спектральные искажения трансионосферного радиосигнала.

4.5. Выводы по Главе 4.

Глава 5. Адаптация радиотелескопов и радиоинтерферометров к изменяющимся условиям трансионосферного распространения.

5.1. Принцип адаптации радиотелескопов и радиоинтерферометров.

5.2. Блок-схема программного комплекса.

5.3. Оценка точности метода при несовпадении углового местоположения радиоисточника и реперного источника.

5.4. Адаптация радиоинтерферометров со сверхдлинной базой на основе модели IRI.

5.5. Выводы по Главе 5.

Ионосфера существенно влияет на трансионосферные радиосигналы, в том числе радиоастрономические, в метровом и декаметровом диапазоне длин волн. Более длинные волны отражаются в области максимума электронной концентрации и не проходят через ионосферу Земли, а для более коротких волн из-за обратной зависимости ионосферных эффектов от частоты ионосфера становится практически «прозрачной». Чтобы преодолеть «ионосферный барьер» в радиоастрономии, всерьез рассматривается идея создания «искусственной дыры» в ионосфере с помощью выброса специальных химических веществ [1], что, очевидно, не предоставляет возможности для систематических наблюдений.

Фокусировка трансионосферных сигналов на частотах, близких к критической, приводит к заметной амплитудной модуляции [2], однако при повышении частоты влияние фокусировки становится незначительным. Достаточно значимы также амплитудные мерцания, обусловленные рассеянием на мелкомасштабных ионосферных неоднородностях, расположенных на высотах максимума ионизации. Однако в метровом диапазоне глубина амплитудных мерцаний в обычных условиях незначительна, а период мерцаний (1-^-30 с) достаточно мал, что позволяет компенсировать влияние мерцаний трансионосферных радиосигналов с помощью хорошо известных и достаточно простых способов обработки сигнала.

В случае линейно или эллиптически поляризованного сигнала более значимым может оказаться амплитудный эффект, обусловленный вращением плоскости поляризации (эффектом Фарадея).

В диссертации основное внимание уделяется дополнительному набегу фазы и изменению поляризации в ионосфере Земли. В приближении геометрической оптики задача определения дополнительного набега фазы сигнала сводится к классической задаче - определению полного электронного содержания (ПЭС) вдоль направления распространения. Общепринятая единица ПЭС 1 TECU (total electron content unit) равна 1016 м"2. Эффект фарадеевского вращения в приближении квазипродольного распространения может быть также рассчитан на основе данных ПЭС и модели магнитного поля Земли.

ПЭС можно либо непосредственно измерить, либо рассчитать, используя ионосферные модели. Одним из основных классических средств радиозондирования ионосферы являются ионозонды. Однако они позволяют рассчитать локальную электронную концентрацию и ПЭС только до высоты максимума слоя F2; кроме того, распределение ионозондов по земной поверхности достаточно редкое. Радары некогерентного рассеяния, как наиболее совершенные системы, позволяющие измерить электронную концентрацию практически во всем диапазоне высот ионосферы, получили еще меньшее распространение из-за высокой стоимости создания и эксплуатации.

В настоящее время ситуация существенно изменилась. Появились средства непрерывного и глобального мониторинга ионосферы по данным навигационных систем GPS, ГЛОНАСС [3] (в ближайшие годы GALILEO [4]), двухчастотных спутниковых высотомеров (Topex/Poseidon, Jason-1 [5]), а также специализированных низкоорбитальных искусственных спутников Земли (CHAMP, SAC-C и др.), предназначенных для исследования ионосферы. Данные GPS широко используются не только для изучения ионосферы [6], но и непосредственно для тестирования фазовых искажений в трансионосферном канале систем навигации и радиопеленгации. В ряде систем для расчета ПЭС используются простейшие модели ионосферы. Например, в одночастотных навигационных приемниках системы GPS для этих целей используется модель Клобучара [7], разработанная еще в 1968 г. Однако точность таких моделей сравнительно невелика. В настоящее время разработаны более совершенные ионосферные модели, такие как NeQuick [8] и международная справочная модель IRI [9], широко используемые в расчетах параметров KB радиотрасс [10]. Каждый из упомянутых методов определения ПЭС имеет свои погрешности и ограничения. Кроме того, отсутствует эталон, позволяющий получить абсолютную ошибку измерения (расчета) ПЭС, поэтому необходимо взаимное тестирование различных методов.

Таким образом, несмотря на множество современных методов измерений и расчета ПЭС, развитие радиотехнических систем значительно опережает совершенствование их ионосферной поддержки; особенно остро это проявляется в радиоастрономических системах. Это входит в противоречие с все возрастающими требованиями к точности анализа амплитудного профиля излучения радиоисточников, угловому и поляризационному разрешению радиоастрономических интерферометров нового поколения (LOFAR [11], SKA [12]). В равной степени это относится и к современным прикладным радиосистемам, использующим трансионосферные радиосигналы (одночастотные спутниковые высотомеры, радиолокационные системы с синтезированной апертурой, системы . радиосвязи и другие).

Предметом настоящей диссертации являются фазовые и поляризационные характеристики радиосигнала при трансионосферном распространении, исследуемые на основе анализа данных спутниковой радионавигационной системы GPS, спутниковых высотомеров (Jason-1, Topex/Poseidon), ионосферной модели IRI и модели магнитного поля IGRF [13].

Целью диссертационной работы является исследование изменения фазы и поляризации радиосигналов при трансионосферном распространении и разработка методов коррекции этих характеристик на основе анализа данных GPS, спутниковых высотомеров и ионосферного моделирования. Тестирование моделей ионосферы IRI-2001 и IRI-2007 и взаимное тестирование карт ПЭС, рассчитываемых по данным GPS различными лабораториями, и спутниковых высотомеров.

Для достижения данной цели предполагалось решение следующих задач:

1. Проверка адекватности определения ПЭС ионосферными моделями IRI-2001 и IRI-2007 на основе сравнения с данными спутниковых высотомеров, региональных (US-ТЕС) и глобальных (Global Ionosphere Maps, GIM) карт ПЭС. Взаимное тестирование данных спутниковых высотомеров и GIM.

2. Разработка методов, алгоритмов и программного обеспечения для расчета дополнительного поворота плоскости поляризации и фазового запаздывания в ионосфере на основе совместного использования данных GPS, спутниковых высотомеров, а также ионосферных моделей IRI-2001, IRI-2007, и модели магнитного поля IGRF-10.

3. Анализ изменения фазы и поляризации радиосигналов при трансионосферном распространении для спокойных и возмущенных геомагнитных условий.

Проведенные исследования позволяют сформулировать следующие основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод, алгоритмы и программное обеспечение для расчета изменения фазы и поляризации радиосигналов при трансионосферном распространении, основанный на совместном использовании данных спутниковых радионавигационных систем, спутниковых высотомеров, ионосферных моделей IRI-2001 и IRI-2007 и модели магнитного поля IGRF.

2. Результаты взаимного тестирования данных GPS, спутниковых высотомеров, ионосферных моделей IRI-2001 и IRI-2007.

3. Результаты оценки изменения фазы и поляризации радиоастрономических сигналов в метровом диапазоне для различных геофизических условий.

4. Метод адаптации радиотелескопов и радиоинтерферометров к изменяющимся условиям трансионосферного распространения, отличающийся от существующих методов использованием в качестве источников реперных сигналов спутников навигационных систем, находящихся на минимальном угловом расстоянии от исследуемого радиоисточника, а в направлениях, не обеспеченных измерениями, использованием ионосферных моделей.

Достоверность и обоснованность основных результатов и выводов работы обусловлена использованием физически обоснованных методов, современных ионосферных моделей (IRI-2001 и IRI-2007) и представительной статистикой экспериментальных данных GPS и спутниковых высотомеров Торех и Jason-1 за 23-й цикл солнечной активности. Полученные в экспериментах физические характеристики находятся в качественном и количественном согласии с результатами исследований, опубликованных ранее другими авторами.

Научная новизна работы:

1. Впервые для полного 23-го цикла солнечной активности проведено взаимное сравнение ПЭС по данным GPS, спутниковых высотомеров Jason-1 и Topex/Poseidon и ионосферных моделей IRI-2001, IRI-2007.

2. Впервые разработаны методы, алгоритмы и программное обеспечение для расчета дополнительного поворота плоскости поляризации и фазового запаздывания в ионосфере на основе совместного использования данных GPS, спутниковых высотомеров, а также ионосферных моделей IRI-2001 и IRI-2007 и модели магнитного поля IGRF-10.

3. Впервые на этой основе проведена оценка изменения фазы и поляризации трансионосферных радиосигналов. Оценен период амплитудной модуляции радиоастрономических сигналов линейной поляризации и искажения амплитудного профиля солнечного радиоизлучения при приеме на антенну линейной поляризации, а также рефракционные ошибки радиоинтерферометров. Показано, что даже в невозмущенных геомагнитных условиях для некоторых значений углового положения дискретных источников ионосферный вклад в изменение поляризации по порядку величины сравним с вкладом межзвездной среды.

4. Впервые предложен способ компенсации дополнительного набега фазы и поворота плоскости поляризации радиосигналов при трансионосферном распространении на основе анализа сигналов реперных радиоисточников, отличающийся тем, что в качестве реперного используются сигналы спутников радионавигационных систем, находящихся на минимальном угловом расстоянии от источника. Для направлений на источник, где отсутствуют экспериментальные данные, в диссертации предложено использование современных моделей ионосферы IRI-2001 и IRI-2007.

Практическая значимость: Результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы для решения задач адаптации к меняющимся условиям неоднородной и нестационарной ионосферы различных радиосистем (радиотелескопы и радиоинтерферометры со сверхдлинной базой, одночастотные спутниковые высотомеры, радиолокационные системы с синтезированной апертурой). Другое важное направление возможного использования результатов - тестирование и коррекция ионосферных моделей.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены в виде выступлений, докладов и тезисов докладов на следующих семинарах, научных и научно-технических конференциях:

- Научный семинар отдела 1.00 ИСЗФ СО РАН;

- Научный семинар ИЗМИР АН;

- Научный семинар кафедры атмосферы физического факультета МГУ;

- Научный семинар Пущинской радиоастрономической обсерватории;

- 36th COSPAR Scientific Assembly, Beijing, China, 2006;

- IGS Workshop, Darmstadt, Germany, 2006;

- IX конференции молодых ученых " Физические процессы в космосе и околоземной среде ", БШФФ-2006;

- EGU General Assembly, Vienna, Austria, 2007, 2008;

- CESRA Workshop on "Solar Radio Physics and the Flare-CME Relationship", Ioannina, Greece, 2007;

- IRI/COST 296 WORKSHOP, Prague, the Czech Republic, 2007;

- XIV международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Бурятия, 2007;

- Scientific Meeting of the IAG General Assembly 2007, Perugia, Italy, 2007;

- IV международная конференция «Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений», с. Паратунка Камч. обл., 2007;

- International Beacon Satellite Symposium, Boston, USA, 2007;

- Eighth Chinese-Russian Workshop on Space Weather, Beijing, China, 2007;

- Всероссийская астрономическая конференция BAK-2007, Казань, 2007;

- X Конференция молодых ученых "Современные проблемы в астрофизике и физике космической плазмы", БШФФ-2007, Иркутск, 2007;

- Fourth European Space Weather Week, Brussels, Belgium, 2007;

- Scientific workshop - Astrophysics with E-LOFAR, Hamburg, Germany, 2008;

- 37th COSPAR Scientific Assembly, Montreal, Canada, 2008;

- XXII Всероссийская конференция "Распространение радиоволн", п. JIoo, Краснодарский край, 2008;

- XXIX General Assembly of the International Union of Radio Science, Chicago, USA, 2008.

Личный вклад автора. Основные результаты диссертации, опубликованные в 18 работах, являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. В том числе 5 работ опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов: Радиофизика. Изв. ВУЗов; Доклады Академии Наук; Journal of Atmospheric and Solar-terrestrial Physics; Геомагнетизм и аэрономия; Annales Geophysicae.

Автору принадлежит:

1. Взаимное сравнение данных GPS, спутниковых высотомеров и моделей ионосферы IRI-2001 и IRI-2007.

2. Разработка программного комплекса для расчета дополнительного набега фазы и поворота плоскости поляризации радиосигналов при трансионосферном распространении на основе данных GPS, спутниковых высотомеров, ионосферных моделей IRI-2001, IRI-2007, и модели магнитного поля IGRF-10.

3. Оценка изменения параметров трансионосферных радиосигналов в ионосфере Земли на основе использования разработанного в диссертации программного комплекса.

4. Оценка применимости предложенного в диссертации метода при несовпадении лучей на исследуемый и реперный источники.

Автор принимал непосредственное участие в разработке программ и проведении исследований по глобальному электронному содержанию, результаты которых использовались в диссертации для сравнения с данными спутниковых высотомеров и взаимного тестирования различных средств определения ПЭС.

При проведении исследований, представленных в настоящей диссертации, автором были частично использованы программы И.В. Живетьева, А.В. Ойнаца, П.В. Татаринова.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав основного материала, заключения, списка цитируемой литературы, содержащего 131 ссылку. Общий объем диссертации — 179 страниц, включая 10 таблиц, 44 рисунка.

5.5. Выводы по Главе 5

Предложенный в настоящей главе метод адаптации радиотелескопов и радиоинтерферометров обладает преимуществом непрерывности и глобальности и может быть использован в современных радиотехнических системах. При использовании данного метода относительная ошибка определения поляризационного угла составляет менее 5% при отличии угла места реперного источника и исследуемого объекта менее 15°.

Настоящий метод может быть использован наряду с применяемым в антенных решетках методом самокалибровки. Однако в отличие от метода самокалибровки, для которого существует жесткое ограничение на длину базы (длина базы не должна превышать 10 км) [131], в предложенном в настоящей главе методе ограничение на длину базы отсутствует.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Взаимное тестирование данных GPS, спутниковых высотомеров и ионосферных моделей за 23-й цикл солнечной активности показало, что:

- над океаном относительно данных спутниковых высотомеров ошибка IRI-2001 меньше 40% имеет место в 69% измерений, IRI-2007 - в 67% измерений, GIM CODG - 77%;

- глобальные карты позволяют определить ПЭС над океаном с точностью не хуже 5 TECU. Наиболее вероятное значение разности значений ПЭС, полученных по данным высотомеров и карт GIM, существенно отличается для различных лабораторий: для данных CODG максимум разности приходится на 2.5 TECU, ESAG - 3 TECU, JPLG - 0 TECU, UPCG -2 TECU. Для модели IRI-2001 эта разность составляет 3 TECU, IRI-2007 - 3.5 TECU;

- над территорией суши значения ПЭС по глобальным картам GIM CODG, US-TEC и модели IRI-2007 достаточно близки. Среднее значение разницы ПЭС по данным CODG и US-TEC равно 0.49±2.49 TECU, GIM CODG и IRI-2007 - 0.97±4.02 TECU, IRI-2007 и US-TEC - -0.11±2.27 TECU;

- существует значительный суточный ход ошибки в моделях IRI-2001 и IRI-2007, особенно вблизи утреннего терминатора. Амплитуда вариаций абсолютной ошибки, обусловленных отличием роста ионизации в модели и в реальной ионосфере при прохождении утреннего солнечного терминатора, составляет ~5 TECU. Карты GIM также характеризуется вариацией абсолютной ошибки во время прохождения СТ, но менее выраженной по сравнению с IRI.

2. Впервые разработаны методы расчета дополнительного набега фазы и поворота плоскости поляризации радиосигнала, основанные на совместном использовании данных GPS, спутниковых высотомеров, ионосферных моделей IRI-2001 и IRI-2007 и модели магнитного поля IGRF.

3. При анализе изменения параметров трансионосферных (радиоастрономических) радиосигналов для конкретных условий эксперимента на основе разработанных методов показано, что:

- период амплитудной модуляции радиоастрономических сигналов линейной поляризации при приеме на антенну линейной поляризации меняется в широких пределах - от периода акустико-гравитационных волн (10-60 мин) в спокойных условиях до периода мерцаний (десятки и сотни сек) во время сильных магнитных бурь. При периодах в десятки секунд вариации амплитуды принимаемого сигнала могут быть ошибочно приняты за амплитудные мерцания, вызванные рассеянием на мелкомасштабных неоднородностях;

- амплитудные искажения, обусловленные вращением плоскости поляризации, приводят к искажению динамического спектра радиоизлучения, в том числе к появлению ложной «зебра-структуры». Кроме того, смещение максимума амплитудного профиля интенсивности солнечного радиоизлучения для протяженных солнечных вспышек в результате модуляции сигнала может достигать 10 минут;

- показано, что дополнительный набег фазы радиосигналов в ионосфере приводит к ошибке углового позиционирования источника при работе интерферометров со сверхдлинной базой, на порядок превышающей его потенциальную точность.

4. Предложен метод адаптации радиотелескопов и радиоинтерферометров к изменяющимся условиям трансионосферного распространения, принципиальное отличие которого от существующих методов заключается в использовании сигналов спутников навигационных систем, находящихся на минимальном угловом расстоянии от исследуемого радиоисточника, в качестве реперных сигналов. Для интерполяции данных в направлениях, в которых отсутствуют экспериментальные измерения, в диссертации предложено использование современных моделей ионосферы IRI-2001 и IRI-2007. Показано, что при использовании предложенного метода относительная ошибка определения поляризационного угла составляет менее

5% при угловом расстоянии между реперным источником и исследуемым объектом менее 15°.

Благодарности

Автор искренне благодарит своего научного руководителя доктора физико-математических наук, профессора Афраймовича Эдуарда Леонтьевича.

Автор выражает признательность профессору Иркутского государственного университета Душутину Николаю Константиновичу за поддержку настоящей работы.

Автор также благодарен сотрудникам ИСЗФ СО РАН Э.И. Астафьевой, С.В. Воейкову, Н.С. Гаврилюк, И.К. Едемскому, И.В. Живетьеву, А.Б. Ишину, А.В. Ойнацу, Н.П. Переваловой за помощь в работе и активное участие в дискуссиях; В.И. Куркину, А.В. Медведеву, К.Г. Ратовскому за проявленный интерес к работе и ценные замечания; сотрудникам МГУ Е.С. Андреевой, В.Е. Куницыну, и сотруднику ИЗМИРАН Ю.Я. Ружину за участие в обсуждении результатов работы; сотруднику Оксфордского университета К.С. Паламарчуку за данные спутниковых высотомеров; а также соавтору, сотруднику ИВАИИ П.В. Татаринову за предоставленные программные продукты.

Настоящая работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 07-05-00127, 07-05-00950), а также Иркутского государственного университета, индивидуальный исследовательский грант № 111-02-000/8-03.

1. Papagiannis M.D. and Mendillo М. Low frequency radio astronomy through an artificially created ionospheric window // Nature. 1975. V. 255. P. 4243.

2. Afraimovich E.L., Udodov M.Yu. Travelling ionospheric disturbances and the effectiveness of powerful HF transmitters in ionospheric modification and radio location of the Moon // J. Atmos. Terr. Phys. 1993. V. 55, No. 1. P. 57-64.

3. Davies K., Hartmann G.K. Studying the ionosphere with the Global Positioning System// Radio Sci. 1997. V. 32, No. 4. P. 1695-1703.4. http://www.esa.int/esaNA/galileo.html

4. Fu L., Christensen E.J., Yamarone C.A. Jr. TOPEX/POSEIDON mission overview // J. Geophys. Res. 1994. V. 99, No. С12. P. 24,369-24,381.

5. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск: Изд-во ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН. 2006 -480с.

6. Klobuchar J.A. Ionospheric time-delay algorithm for single-frequency GPS users // IEEE Transactions on Aerospace and Electronics System. 1986. V. 23, No. 3. P. 325-331.

7. Leitinger R., Zhang M., Radicella S.M. An improved bottomside for the ionospheric electron density model NeQuick // Ann. Geophys. 2005. V. 48, No. 3. P. 525-534.

8. Bilitza D., Reinisch B.W. International Reference Ionosphere 2007: Improvements and new parameters // Adv. Space Res. 2008. V.42. P. 599-609.

9. ITU-2004: Ionospheric propagation data and prediction methods required for the design of satellite services and systems // Recommendation ITU-R. 2004. P. 531-7.11. http://www.astron.n1/p/lofarframe.htm/

10. SKA Science with the Square Kilometre Array / Eds: C. Carilli, S. Rawlings // New Astronomy Reviews. Elsevier. 2004. V. 48.13. http://www.geomag.bgs.ac.uk/gifs/igrfform.shtml

11. Яковлев О.И. Распространение радиоволн в космосе. М.: Наука, 1985.-216с.

12. Кравцов А.Ю., Фейзулин З.И., Виноградов А.Г. Прохождение радиоволн через ионосферу Земли М.: Радио и связь, 1983. - 224с.

13. Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. — М.: Высшая школа, 1975.-280с.

14. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. -М.: Мир, 1973. 502с.

15. Lawrence R.S., Little C.G., Olivers J.A. The influence of the ionosphere upon radio wave propagation "Earth-space" // Proc. IEEE. 1964. V. 52, No. 4. P. 5-30.

16. Гудмен Дж.М., Аароне Ж. Влияние ионосферных эффектов на современные электронные системы // ТИИЭР. 1990. Т. 78, № 3. С. 59-76.

17. Ratcliffe J.A. The magneto-ionic theory and its applications to the ionosphere. Cambridge, England: Cambridge University Press, 1959.

18. Железняков B.B. Электромагнитные волны в космической плазме. — М.: Наука, 1977.-432с.

19. Афраймович Э.Л. Ионосферная фарадеевская модуляция интенсивности радиоастрономических сигналов // Доклады Академии Наук. 2007. Т. 417, № 6. С. 818-822.

20. Ульянов О.М., Захаренко В.В., Коноваленко А.А., Лекашо А., Розолен К., Рукер Х.О. Обнаружение индивидуальных импульсов пульсаров

21. В0809+74; В0834+06; В0943+10; В0950+08; В1133+16 в декаметровом диапазоне волн // Радиофизика и радиоастрономия. 2006. Т. 11, №2. С. 113133.26. http://www.atnf.csiro.au/research/pulsar/psrcat/

22. Afraimovich E.L. Cepstral analysis of broad-band radio emission. New possibilities in radio astronomy // Astron. Astrophys. 1981. V. 97, No. 2. P. 366372.

23. Альперт Я. JI. Распространение электромагнитных волн и ионосфера-М.: Наука, 1972. 563с.

24. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988.-368с.

25. Брюнелли Б.Е., Кочкин М.И., Пресняков И.Н., Терещенко В.Д., Терещенко Э.Д. Метод некогерентного рассеяния радиоволн. — Л.: Наука,1979.-188 с.

26. Davies К. Recent progress in satellite radio beacon studies with particular emphasis on the ATS-6 radio beacon experiment. Space before this technique can be used for radio telescopes // Science Review.1980. V. 25, No. 4. P. 357-430.

27. Jacobson A.R., Carlos R.C., Massey R.S., Wu G. Observations of traveling ionospheric disturbances with a satellite-beacon radio interferometer: Seasonal and local time behavior // J. Geophys. Res. 1995. V. 100. P. 1653-1665.

28. Jacobson A.R., Hoogeveen G., Carlos R.C., Wu G., Fejer B.G., Kelley M.C. Observations of inner plasmasphere irregularities with a satellite-beacon radio interferometer array // J. Geophys. Res. 1996. V. 101, No. A9. P. 1966519682.

29. Spoelstra T.A.Th. Combining TIDs observations: NNSS and radio interferometry data // J. Atmos. Terr. Phys. 1992. V. 54. P. 1185-1195.

30. Afraimovich E.L., Minko N.P., Fridman S.V. Spectral and dispersion characteristics of medium-scale travelling ionospheric disturbances as deducedfrom transionospheric sounding data // J. Atmos. Terr. Phys. 1994. V. 56, No. 11. P. 1431-1446.

31. Афраймович Э.Л., O.M. Пирог, А.И. Терехов. Диагностика крупномасштабных структур высокоширотной ионосферы на основе томографической обработки сигналов ИСЗ и данных ионосферных станций // Препринт СибИЗМИР СОАН СССР. 1989. № 19 89 , 18с.

32. Raymund, T.D., Austen, J.R., Franke, S.J., Liu, C.H., Klobuchar, J.A., and Stalker, J. Application of computerized tomography to the investigation of ionospheric structures // Radio Sci. 1990. V. 25. P. 771-789.

33. Куницын B.E., Терещенко Е.Д., Андреева E.C. Радиотомография ионосферы. М.: Физматлит, 2007. - 255с.

34. Hofmann-Wellenhof В., Lichtenegger Н., Collins J. Global Positioning System: Theory and Practice. New York: Springer-Verlag Wien, 1992. - 327p.

35. Харисов B.H., Перов А.И., Болдин В.А. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. М.: ИПРЖР, 1998. - 400с.

36. Колосов М.А., Арманд Н.А., Яковлев О.И. Распространение радиоволн при космической связи. М: Связь, 1969. — 155с.

37. Daniell Jr. R.E., Brown L.D. Anderson D.N., Fox M.W. Doherty P.H. Decker D.T., Sojka J.J., Schunk R.W. Parameterized ionospheric model: A global ionospheric parameterization based on first principles models // Radio Sci. 1995. V. 30. P. 1499-1510.

38. Nava В., Coisson P., Radicella S.M. A new version of the NeQuick ionosphere electron density model // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2008. V. 70, No. 15. P. 1856-1862.

39. Jee G., Schunk R.W., Scherliess L. Comparison of IRI-2001 with TOPEX TEC measurements // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2005. V. 67. P. 365380.

40. Bilitza D., Koblinsky C., Beckley В., Zia S., Williamson R. Using IRI for the computation of ionospheric corrections for altimeter data analysis // Adv. Space Res. 1995. V. 15, No. 2. P. (2)113-(2)119.

41. Gurtner W. The Receiver Independent Exchange Format Version 2 // http://igscb.jpl.nasa.gov/igscb/data/format/rinex2.txt.

42. Архив файлов RINEX центра SOP AC //ftp://lox.ucsd.edu/pub/rinex.

43. Архив навигационных файлов центра SOPAC // ftp://lox.ucsd.edu/pub/nav

44. Lanyi G.E., Roth Т. A comparison of mapped and measured total ionospheric electron content using global positioning system and beacon satellite observations // Radio Sci. 1998. V. 23, No. 4. P. 483-492.

45. Schaer S., Beutler G., Rothacher M. Mapping and predicting the ionosphere. // Proceedings of the IGS AC Workshop, Darmstadt, Germany. February 9-11. 1998. P. 307-320.

46. Mannucci A.J., Wilson B.D., Yuan D.N., Но C.H., Lindgwister U.J., Runge T.F. A global mapping technique for GPS-derived ionospheric TEC measurements // Radio Sci. 1998. V. 33. No. 3. P. 565-582.

47. Aviso and PoDaac User Handbook IGDR and GDR Jason-1 Products, SMM-MU-M5-OP-13184-CN, Edition 3.0, Januaiy 2006. Available from ftp://podaac.jpl.nasa.gov/pub/seasurfaceheight/jason/igdr/doc/HandbookJason v3-0.pdf.

48. Imel D.A. Evaluation of the TOPEX/POSEIDON dual-frequency ionosphere correction // J. Geophys. Res. 1994. V. 99, No. С12. P. 24,895-24,906.

49. Codrescu M.V., Palo S.E., Zhang X., Fuller-Rowell T.J., Poppe C. TEC climatology from TOPEX/POSEIDON measurements // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 1999. V. 61. P. 281-298.

50. Codrescu M.V., Beierle K.L., Fuller-Rowell T.J., Palo S.E., Zhang X. More total electron content climatology from TOPEX/Poseidon measurements // Radio Sci. 2001. V. 36, No. 2. P. 325-333.

51. Bilitza D. (ed.). International Reference Ionosphere 1990. Greenbelt, Maryland. 1990. - 156 p. Available form http://iri.gsfc.nasa.gov.

52. Rush C.M., PoKempner M., Anderson D.N., Stewart F.G., Perry J., Improving Ionospheric Maps Using Theoretically Derived Values of foF2 // Radio Sci. 1983. V. 18, No. 1. P. 95-107.

53. Bilitza D. International Reference Ionosphere 2000 // Radio Sci. 2001. V. 36, No. 2. P. 261-275.71. http://iri.gsfc.nasa.gov/

54. Coisson P., Radicella S.M., Ciraolo L., Leitinger R., Nava B. Global validation of IRI TEC for high and medium solar activity conditions // Adv. Space Res. 2008. V. 42. P. 770-775.

55. Chapman S., Bartels J. Geomagnetism. London: Oxford University Press, 1940.- 1049p.

56. Astafyeva E.I., Afraimovich E.L., Oinats A.V., Yasukevich Yu.V., Zhivetiev I.V. Dynamics of global electron content in 1998-2005 derived from global GPS data and IRI modeling II Adv. Space Res. 2007. doi: 10.1016/j.asr.2007.11.007.

57. Afraimovich E.L., Astafyeva E.I., Oinats A.V., Yasukevich Yu.V., Zhivetiev I.V. Global Electron Content: a new conception to track solar activity // Annales Geophysicae. 2008. V. 26. P. 335-344.

58. Афраймович Э.Л., Астафьева Э.И., Живетьев И.В., Ойнац А.В., Ясюкевич Ю.В. Отклик глобального и регионального электронного содержания на изменения солнечной активности // Геомагнетизм и аэрономия. 2008. Т. 48, № 2. С. 195-208.

59. Носке К. Oscillations of global mean TEC // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. P. A04302. Doi: 10.1029/2007JA012798.

60. Ping J., Matsumoto K., Heki K., Saito A., Callahan P., Potts L. Shum C.H. Validation of Jason-1 nadir ionosphere TEC using GEONET // Marine Geodesy. 2004. V. 27. P. 741-752.

61. Orus R., Hernandez-Pajares M., Juan J.M., Sanz J., Garcia-Fernandez M. Performance of different TEC models to provide GPS ionospheric corrections // J. Atmos. Terr. Phys. 2002. V. 64. P. 2055-2062.

62. Belehaki A., Jakowski N., Reinisch B.W. Plasmaspheric electron content derived from GPS TEC and digisonde ionograms // Adv. Space Res. 2004 V. 33. P. 833-837.

63. Lunt N., Kersley L., Bailey G.J. The influence of the protonosphere on GPS observations: Model simulations // Radio Sci. 1999. V. 34. P. 725-732.

64. Ciraolo L., Spalla P. Comparison of ionospheric total electron content from the Navy Navigation Satellite System and the GPS // Radio Sci. 1997. V. 32, No. 3.P. 1071-1080.

65. Delay S.H., Gulyaeva N.L. Validation of Compatibility of GPS-TEC and TOPEX-JASON Information during 2001-2007 // AIS-2008: Atmosphere, ionosphere, Safety. Book of Abstract. 2008. P. 180-183.

66. Афраймович Э.Л., Астафьева Э.И., Живетьев И.В. Солнечная активность и глобальное электронное содержание // Доклады Академии Наук. 2006. Т. 409, № 3. С. 399-402.

67. Robinson T.R., Beard R. A comparison between electron content deduced from the IRI and that measured by the TOPEX dual frequency altimeter // Adv. Space Res. 1995. V.16, No. 1. P. (1)155-(1)158.

68. Gulyaeva T.L. Ionospheric electron density profiles at sunrise-sunset // Adv. Space Res. 1985. V. 5, No. 7. P. 13-20.

69. Жеребцов Г.А., Заворин A.B., Медведев A.B., Носов В.Е., Потехин А.П., Шпынев Б.Г. Иркутский радар некогерентного рассеяния // Радиотехника и электроника. 2002. Т.47, № 11. С. 1-7.

70. Ратовский К.Г., Потехин А.П., Медведев А.В., Куркин В.И. Современный цифровой ионозонд DPS-4 и его возможности // Солнечно-земная физика. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. Вып.5 (118). С.102-104.

71. Brynko I.G., Galkin I.A., Grozov V.P., Dvinskikh N.I., Nosov V.E., Matyuoshonok S.M. An automatically controlled data gathering and processing system using an FMCW ionosonde // Adv. Space Res. V.8. P. 121-124. 1998.

72. Spynev B.G., Potekhin A.P., Tashchilin A.V., Kurkin V.I., Zavorin A. V., Zherebtsov G.A. The comparison of incoherent scatter data with IRI-2001 in East-Siberian region // Adv. Space Res. 2006. V. 37. P. 1108-1112.

73. Ратовский К.Г., Ойнац A.B., Медведев A.B. Климатические особенности ионосферы над Иркутском. Наблюдения и сравнения с моделью IRI-2001 // Солнечно-земная физика. 2008. Вып. 12. Т. 2. С. 239-241.

74. Oinats A.V., Kotovich G.V., Ratovsky K.G. Comparison of the main ionospheric characteristics measured by the digisonde at Irkutsk in 2003 with IRI 2001 model data // Adv. Space Res. 2006 V. 37. P. 1018-1022.

75. Migoya Огиё Y.O., Radicella S.M., Coi'sson P., Ezquer R.G., Nava В. Comparing TOPEX TEC measurements with IRI predictions // Adv. Space Res. 2008. V. 42, No. 4. P. 757-762. doi:10.1016/j.asr.2007.09.041.

76. Cabrera M.A., Ezquer R.G., Radicella S.M. Predicted and measured slant ionospheric electron content // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2005. V. 67. P. 1566-1572.

77. Zhang S.-R, Holt J.M., Bilitza D.K., van Eyken Т., McCready M., Amory-Mazaudier C., Fukao S., Sulzer M. Multiple-site comparisons between models of incoherent scatter radar and IRI // Adv. Space Res. 2007. V. 39. P. 910917.

78. Lei J., Liu L., Wan W.„ Zhang S.-R., Van Eyken A.P. Comparison of the first long-duration IS experiment measurements over Millstone Hill and EISCAT Svalbard radar with IRI2001 // Adv. Space Res. 2006. V. 37. P. 11021107.

79. Rios V.H, Medina C.F., Alvarez P. Comparison between IRI predictions and digisonde measurements at Tucuman // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2007. V. 69. P. 569-577.

80. Zhang M.-L., Shi J.-K., Wang X., Shang S.-P., Wu S.-Z. Ionospheric behavior of the F2 peak parameters foF2 and hmF2 at Hainan and comparisons with IRI model predictions // Adv. Space Res. 2007. V. 39. P. 661-667.

81. Bilitza D., Obrou O.K., Adeniyi J.O., Oladipo O. Variability of foF2 in the equatorial ionosphere // Adv. Space Res. 2004. V. 34. P. 1901-1906.

82. Mosert M., Gende M., Brunini C. Ezquer R. Altadill D. Comparisons of IRI TEC predictions with GPS and digisonde measurements at Ebro // Adv. Space Res. 2007. V. 39. P. 841-847.

83. Ezquer R.G., Brunini С., Mosert M., Meza A., Oviedo R. del V., Kiorcheff E., Radicella S.M. GPS-VTEC measurements and IRI predictions in the South American sector // Adv. Space Res. 2004. V. 34. P. 2035-2043.

84. Jin S., Park J-U. GPS ionospheric tomography: A comparison with the IRI-2001 model over South Korea // Earth Planets Space. 2007. V. 59. P. 287-292.

85. Liu H., Stolle C. Watanabe S. Abe Т., Rother M., Cooke D.L. Evaluation of the IRI model using CHAMP observations in polar and equatorial regions // Adv. Space Res. 2007. V. 39. P. 904-909.

86. Афраймович Э.Л., Смольков Г.Я., Ясюкевич Ю.В. Адаптивная радиоастрономия// Доклады Академии Наук. 2008. Т. 419, № 5. С. 618-623.

87. Афраймович Э.Л., Ясюкевич Ю.В. Адаптивная радиоастрономия // Труды X Конференции молодых ученых "Современные проблемы в астрофизике и физике космической плазмы", БШФФ-2007. Изд-во ИСЗФ СО РАН, Иркутск, 2007. с. 81-84

88. Афраймович Э.Л., Смольков Г.Я., Ясюкевич Ю.В., Татаринов П.В. Адаптивная УКВ радиоастрономия // Труды Всероссийской астрономической конференции ВАК-2007. Казань, Изд-во КГУ. 2007. С. 489491.

89. Afraimovich E.L., Smolkov G.Ya., Tatarinov P.V., Yasukevich Yu.V. Influence of the ionosphere on radio astronomical signals according to GPS sounding and ionospheric modeling // Proceedings of the SPIE. 2008. V. 6936. P. 69361T-69361T-12.

90. Afraimovich E.L., Yasukevich Yu.V. New field of application of IRI modeling determination of ionosphere transfer characteristic for radio astronomical signals // Adv. Space Res. 2008. doi:10.1016/j.asr.2008.02.003.

91. Yasukevich Yu.V., Afraimovich E.L. Low Frequency Adaptive Radio Astronomy: Application for Radio Interferometers // Proceedings of XXIX General Assembly of the International Union of Radio Science. 2008. Paper JP04.1.

92. Ruzhin Yu. Ya., Nomicos C. // Geophys. Res. Abstracts. 2006. 8. 08151.122. http://www.naic.edu/

93. Веселовский И.С., Панасюк М.И., Авдюшин С.И. и др. Солнечные и гелиосферные явления в октябре-ноябре 2003 г .: причины и следствия // Космические исследования. 2004. Т. 42, № 5. С. 453-508.

94. Astafyeva E.I., Afraimovich E.L., Kosogorov E.A. Dynamics of total electron content distribution during strong geomagnetic storms // Adv. Space Res.2007. DOI: 10.1016/j.asr.2007.03.006.

95. Манчестер P., Тейлор Дж. Пульсары. -M.: Мир, 1980. 296с.

96. Yeh К.С., Liu С.Н. Radio wave scintillations in the ionosphere // Proc. IEEE. 1982. V. 70, No. 4. P. 24-64.

97. Kassim, N.E., Joseph, Т., Lazio, W., Erickson, W.C., Crane, P.C., Perley, R.A., and Hicks, В., 2000. The Low-Frequency Array (LOFAR): opening a new window on the Universe // Proc. SPIE. 2000. V. 4015. P. 328-340.

98. Железняков В.В. Радиоизлучение Солнца и планет. М.: Наука. 1964. 560с.

99. Benz A., Monstein С., Meyer Н. CALLISTO a new concept for solar radio spectrometers // Sol. Phys. 2005. V. 226. P. 143-151.

100. Noordam J.E. Ionospheric Modelling for LOFAR // Astronnews July2008. Available from: http://www.astron.n1/p/Outreachpublications.htm.