Волновые возмущения в околоземной плазме по данным спутникового зондирования

Хомяков, Артем Александрович

Волновые возмущения в околоземной плазме по данным спутникового зондирования тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Хомяков, Артем Александрович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Ростов-на-Дону МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Волновые возмущения в околоземной плазме по данным спутникового зондирования»

Автореферат диссертации на тему "Волновые возмущения в околоземной плазме по данным спутникового зондирования"

На правах рукописи

Хомяков Артем Александрович

ВОЛНОВЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ В ОКОЛОЗЕМНОЙ ПЛАЗМЕ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 4 АПР 2014

005547414

Ростов-на-Дону — 2014

005547414

Работа выполнена на кафедре прикладной электродинамики и компьютерного моделирования физического факультета Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет».

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Карпачев Александр Трофимович, доктор физико-математических наук, ФГУН «Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук», заведующий лабораторией физики и моделирования ионосферы.

Звездииа Марина Юрьевна, доктор физико-математических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет», зав. кафедрой «Радиоэлектроника».

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Институт прикладной геофизики имени академика Е. К. Федорова».

Защита состоится 6 июня 2014 г. в 1400 час. на заседании диссертационного совета Д 212.208.10 в Южном федеральном университете по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 5, Южный федеральный университет, физический факультет, ауд. 318.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Южного федерального университета по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 21 Ж, и на сайте http://hub.sfedu.ru/diss/

Автореферат разослан « ^ » 2014 г.

Денисенко Павел Федорович

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.208.10, доктор физико-математических наук, профессор

Г.Ф. Заргано

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Характерной особенностью ионосферы является ее изменчивость и неоднородность. Возмущения (неоднородности) проявляются в виде вариаций различных параметров среды (локальной электронной концентрации, полного электронного содержания, температуры ионов и электронов). Часто горизонтальное распределение электронной концентрации в ионосфере имеет четко выраженную квазипериодическую составляющую, которую называют волновыми возмущениями. Такие волноподобные возмущения, образующиеся под воздействием атмосферных гравитационных волн [1], называются перемещающимися ионосферными возмущениями (ПИВ). Они играют фундаментальную роль в энергетике и динамике атмосферы и ионосферы.

ПИВ возникают под воздействием естественных и искусственных факторов. Различными методами волновые возмущения зарегистрированы при движении солнечного терминатора, во время магнитных бурь, солнечных вспышек, землетрясений и т.д. Подобные возмущения являются индикатором состояния окружающей среды (индикатором процессов, генерирующих ПИВ). Это дает предпосылки использования ионосферных наблюдений для диагностики и прогноза различных процессов естественного и техногенного происхождения.

Интерес к проблеме изучения волновых возмущений околоземной плазмы обусловлен тем, что эти исследования имеют важные прикладные аспекты. Ионосфера как среда распространения радиоволн существенным образом влияет на работу различных систем навигации, локации и связи. Например, рефракция радиосигналов системы GPS (Global Positioning System) при пересечении крупномасштабного ионосферного возмущения вносит значительные ошибки в определение координат. При распространении мощных ПИВ происходит генерация мелкомасштабных ионосферных неоднородностей [2], которые в свою очередь снижают эффективность функционирования спутниковых радиотехнических систем и приводят к федингу радиосигналов в СВЧ/ВЧ диапазоне.

Перемещающиеся ионосферные возмущения влияют на траекторные характеристики высокочастотных (ВЧ) радиоволн и, как следствие, на характеристики систем ВЧ связи. Волноподобные ионосферные неоднородности вызывают фокусировку и дефокусировку излучения, многолучевое распространение, замирания коротковолновых радиосигналов (фединг), а в очень возмущенных условиях поглощение радиосигнала делает связь на коротких волнах практиче-

ски невозможной. Точный прогноз таких явлений позволит заблаговременно учесть влияние волновых возмущений ионосферы или выбрать альтернативную возможность обеспечения связи.

Несмотря на большие достижения в изучении ПИВ, многие вопросы их генерации и динамики не получили должного объяснения. Например, до сих пор однозначно не решен вопрос о том, являются ли волновые возмущения периодическим процессом или уединенной волной, перемещающейся на большие расстояния от источника генерации.

Для исследования ПИВ используются методы наземного ионозондового зондирования, когерентного и некогерентного рассеяния, томографии [3] и GPS наблюдения [4]. Однако радары некогерентного рассеяния являются дорогостоящими, сложными, громоздкими установками. GPS наблюдения и методы томографии ограничены по охвату территорий, т.к. требуют использования сети приемных станций на поверхности Земли, расположенных вдоль траектории пролета спутника. Методы наземного зондирования позволяют регистрировать волновые возмущения только во внутренней ионосфере. В то время как информации о характеристиках ПИВ во внешней ионосфере практически нет.

Таким образом актуальной является задача исследования волновых возмущений во внешней ионосфере. Ее решение, как показано в работе, может быть получено с помощью спутникового внешнего зондирования (СВЗ). Этот метод является мощным средством для исследования ПИВ, поскольку дает широтные разрезы всей толщи внешней ионосферы от высоты максимума слоя F до высоты спутника в любом долготном секторе. Спутниковое зондирование охватывает большие пространства за относительно короткий интервал времени. Эти эксперименты обеспечивают исследования внешней ионосферы не только в локальных областях над пунктами наблюдений, но и по всему земному шару.

Целью диссертационной работы является разработка метода выделения волновых возмущений ионосферы и определения высотного хода их параметров по данным внешнего вертикального спутникового импульсного зондирования.

Для достижения поставленной в работе цели решены следующие основные задачи.

1. Решена задача обращения ионограмм внешнего спутникового зондирования в Ne (Л)-профили и получены высотные зависимости электронной

концентрации выше и ниже максимума слоя F.

2. Исследовано состояние внешней ионосферы в спокойных и возмущенных геомагнитных условиях и получены двумерные высотно-широтные распределения плотности плазмы в плоскости орбиты спутника.

3. Разработана методика выделения волновых возмущений околоземной плазмы на фоне шума и регулярных вариаций ионосферных параметров.

4. Разработан метод определения высотного хода параметров волновых структур с учетом их затухания.

5. Исследованы характеристики ПИВ во время слабых и сильных геомагнитных возмущений, определены направления их перемещения в меридиональной плоскости и предполагаемые источники генерации.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем.

1. Представлен метод томографирования ионосферы по данным внешнего спутникового радиозондирования в ВЧ диапазоне. Впервые с помощью данной методики получены "полные" меридиональные сечения ионосферы от высоты спутника до высоты 100 км. В отличие от ранее разработанных методов, для уточнения величин hmF2 и foF2 использована функция Гаусса, а высотный ход электронной концентрации во внутренней ионосфере определен по откорректированной модели IRI.

2. Предложен новый метод детектирования волновых возмущений околоземной плазмы, заключающийся в разделении исследуемых неоднородных структур ионосферы на аддитивные составляющие - тренд, периодические вариации и шум. На основе подхода SSA (Singular Spectrum Analysis), сформулированы критерии, позволяющие делать вывод о наличии или отсутствии в исследуемых рядах периодических вариаций электронной концентрации.

3. Впервые предложена модель, описывающая волновые возмущения ионосферы в виде экспоненциально-модулированных периодических вариаций плазменных частот, которая позволяет учитывать затухание ионосферных возмущений по мере их распространения.

4. Разработаны оригинальные алгоритмы и программное обеспечение для определения высотного хода параметров крупно- и среднемасштабных волновых возмущений внешней ионосферы.

5. Исследованы характеристики ПИВ во внешней ионосфере вдоль трасс протяженностью несколько тысяч километров. Выделены сложные квази-

волновые структуры, представляющие собой результат взаимодействия крупномасштабных ПИВ, распространяющихся навстречу друг к другу.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием обоснованных физических моделей и строгих (или с известными оценками погрешностей) математических методов решения поставленных задач, а так же соответствием полученных результатов основным положениям теоретических и экспериментальных работ других авторов.

Научная и практическая значимость работы заключается в том, что разработанные в диссертации методы, алгоритмы, программы и полученные с их помощью результаты могут быть использованы для:

1) обеспечения более надежной работы спутниковых навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС) и систем ВЧ-радиосвязи;

2) мониторинга состояния ионосферы в режиме реального времени и своевременного прогноза и учета влияния ионосферных неоднородностей на условия распространения радиоволн;

3) проведения радиофизических спутниковых экспериментов, а так же для обработки большого количества уже имеющихся данных внешнего зондирования, с целью исследования неоднородной структуры ионосферы, изучения протекающих в ней процессов, корректировки и улучшения моделей ионосферы.

Личный вклад автора. Автором лично осуществлена обработка исходной экспериментальной информации; разработана методика разделения пространственного распределения электронной концентрации на регулярную и возмущенную составляющие; проведены все численные расчеты по модельным и экспериментальным данным. Автор принимал непосредственное участие в разработке методики получения двумерных распределений электронной концентрации в плоскости орбиты спутника; разработке методики определения параметров ПИВ; разработке алгоритмов и программ, реализующих данные методики. Обсуждение полученных результатов и их анализ проводились совместно с научным руководителем.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Методика получения двумерных высотно-широтных распределений электронной концентрации вдоль орбиты спутника по данным внешнего спутникового зондирования.

2. Методика диагностики волновых возмущений электронной концентрации во внешней ионосфере: разложение пространственных структур ионосферы на регулярную и периодическую составляющие методом ББА; определение высотного хода параметров волновых возмущений путем их аппроксимации экспоненциально-модулированными гармониками.

3. Результаты исследования крупномасштабных (КМ) ПИВ для пяти, рассмотренных в работе, случаев геомагнитных возмущений: амплитуды, экспоненциальные показатели, длины волн, начальные фазы, волновые фронты, направления распространения в меридиональной плоскости.

Апробация результатов исследования. Результаты работы обсуждались на: третьей международной конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (Ростов-на-Дону, 2010); XXIII всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (Йошкар-Ола, 2011); международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн. ИРЭМВ-2011» (Таганрог-Дивноморское, 2011); IV международной научной конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (Ростов-на-Дону, 2012); международной научной конференции «Математическая физика и ее приложения» (Пятигорск, 2012); международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн. ИРЭМВ-2013» (Таганрог-Дивноморское, 2013); семинаре «Перспективы развития метода вертикального радиозондирования» ФГБУ «ИПГ», 21-22 марта 2013; региональной студенческой конференции «Фестиваль Недели науки Юга России» (Ростов-на-Дону, 2012); 61 и 62 научных конференциях физического факультета ЮФУ (Ростов-на-Дону, 2009-2010).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК, рекомендованных для опубликования основных научных результатов на соискание ученой степени кандидата наук, а также 10 статьей и тезисов докладов в сборниках трудов международных, всероссийских и региональных научных конференций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Она содержит 117 страниц текста, включающие 34 рисунка и 5 таблиц. Список цитируемой литературы представлен на 12 листах и содержит 117 наименований.

Во введении дано обоснование актуальности диссертационной работы, определены ее цели и задачи, показана научная новизна, практическая значимость полученных в работе результатов, сформулированы основные положения и результаты, выносимые на защиту, представлено краткое содержание работы.

В виду существенного влияния ПИВ на работу систем радиосвязи и навигации, одной из главных задач является осуществление глобального мониторинга неоднородной структуры ионосферы в режиме реального времени. Существующие методы либо требуют большого количества приемных станций на поверхности Земли, либо дают информацию только о состоянии внутренней ионосферы. Показано, что метод спутникового зондирования является эффективным средством для решения подобных задач. С его помощью можно в достаточно короткий срок (порядка 10 мин) получить двумерное распределение электронной концентрации в плоскости орбиты спутника (порядка нескольких тысяч км). Скорость перемещения спутника намного превышает скорость движения ионосферных неоднородностей. Таким образом, возможно получение мгновенной пространственной картины неоднородной структуры ионосферы. При этом не требуется наличие линейки приемных станций на поверхности Земли.

Отмечено, что методы исследования ионосферных возмущений по данным спутникового зондирования на настоящий момент не развиты. Они позволяют отметить лишь факт наличия таких неоднородностей, но не решают задачу исследования их структуры [5].

Во второй главе решена задача выделения волноподобных возмущений ионосферной плазмы и определения высотного хода их параметров по данным внешнего спутникового зондирования. Разработанная методика включает в себя три этапа, которые вынесены в отдельные разделы данной главы.

В разделе 2.1 описан процесс обработки экспериментальных данных -ионограмм внешнего зондирования. Рассмотрены режимы экспериментов с искусственными спутниками Земли (ИСЗ) «Космос-1809» и «1818-2». Приведена схема аппаратурного стенда для перевода архивных аналоговых сигналов бортовых ионозондов, зарегистрированных на магнитных лентах, в цифровой вид. Описано разработанное программное обеспечение и представлены примеры его применения (оцифровка ионограмм, устранение искажений ионограмм, вносимых аппаратурой записи и т.д.).

В разделе 2.2 представлена методика построения пространственного распределения электронной концентрации в плоскости орбиты спутника. С этой целью проводился расчет серии Л/е(Л)-профилей по ионограммам внешнего зондирования, которые были зарегистрированы последовательно бортовым ионозондом в течение нескольких минут во время сеанса связи с наземной приемной станцией.

Методика расчета Ме(/г)-профиля основана на обращении интегрального уравнения Вольтера 1-го рода относительно функции

где Р' - действующая (кажущаяся) высота, /л' - групповой показатель преломления волны - функция частоты /, плазменной частоты /дг, гирочастоты /н, угла в между направлением вектора напряженности магнитного поля и вектором волновой нормали; 7.г (/) = — йг(/) - истинная глубина отражения сигнала (начало координат совмещено с ИСЗ, ось г направлена вниз); К5 - высота спутника; /гг(/) - высота отражения сигнала, отсчитываемая от Земли. Отражения сигналов происходит на высоте гг(/), где плазменные и рабочие частоты связаны соотношениями: = / для о-волн, = д//(/ — /„) для х-волн.

Для расчета зависимости электронной концентрации от истинной высоты использовалась кусочно-непрерывная функция /Уе(Л.) (слоистая модель). Во внешней ионосфере на каждом из интервалов разбиения принималось экспоненциальное распределение электронной концентрации (плазменной частоты):

Р'Ю = /ог(Лм'

где г = — к - глубина, отсчитываемая от высоты спутника; Л/у_х - электронная концентрация на нижней границе слоя при я = у = 1,2,...,т - номер точки (слоя) в таблице оцифровки; Ну - шкала высоты слоя.

Для описания распределения электронной концентрации вблизи (выше) максимума ктР2 использовалась функция Гаусса:

NeQ¿) = Neexp

Нп

< z < z„

где Nетах — электронная концентрация в максимуме области -Р; гтах - глубина максимума области Р; Нд - шкала высоты гауссового слоя. Параметр определялся методом наименьших квадратов по последним тх (в работе = 5) отсчетам на ионограмме при заданном значении Nemax электронной концентрации в максимуме области К Оптимальное значение Метах выбиралось после переборки ^етах 113 некоторого интервала возможных значений по минимальной сумме квадратов остатков действующих глубин отражения.

В результате, рассчитывался профиль электронной концентрации от высоты спутника до высоты максимума слоя У7. В нижней ионосфере данный профиль достраивался с помощью международной модели ионосферы 1Ю, откорректированной по вычисленным значениям /гшР2 и /оР2. На рисунке 1 показан пример оцифрованной ионограммы, зарегистрированной на борту ИСЗ «18182», и рассчитанный по ней полный Л/е(/г)-профиль.

500

1000

1500,

1500

1000

500

б)

слои с ■жспонеш.ц галькой зависим остью Nt(h)

функция Гаусса

5 10

f, МГц

fМГц

Рисунок 1 - Пример восстановления полного профиля электронной концентрации: а) ионограмма внешнего зондирования (х-след), зарегистрированная на борту ИСЗ «1815-2» 20.10.1981 в 031'32т02' иТ; б) Nе(К)-профилъ, рассчитанный по данной ионограмме.

В данном разделе так же приведены оценки погрешностей вычисления Л/е(Л)-профилей. Дано обоснование выбора х-волн. Указывается, что данный тип волн дает минимальные погрешности во всем интервале геомагнитных широт.

Все последовательные Ые (/г)-профили записывались в отдельный та1:-файл. Туда же записывалась высота, геомагнитные и географические координаты, соответствующие положению спутника во время снятия ионограмм, гиро-частота и плазменная частота на высоте спутника, значения критических частоты /оГ2 и высоты максимума ЬпР2. В среде МайаЬ разработано программное обеспечение, которое преобразует данные пШ-файлы в пространственное распределение электронной концентрации. На рисунке 2 в качестве примера представлена пространственная структура ионосферы в плоскости орбиты ИСЗ «1818-2», полученная при пролете спутника над приемной станцией КавЫта.

Разработанная методика фактически представляет собой один из способов томографического исследования ионосферы и может быть применена для обработки большого массива спутниковых данных, в том числе зарубежных, накопленных в мировых центрах данных. Полученные пространственные структуры могут быть использованы для уточнения существующих моделей ионосферы и изучения физических про-

20 25 30 35 40 Геомагнитная широта, градусы

Рисунок 2 — Изолинии плазменных частот (цифры на линиях — значения в МГц), полученные по данным спутникового зондирования. Монограммы зарегистрированы 20.10.1981в интервалах времен 031' 24"' 121-031' 34'" 39* Ш при пролете ИСЗ «/Ж-2»

над приемной станцией КазЫта (Япония).

цессов, происходящих в околоземной плазме. В данной работе пространственные распределения электронной концентрации используются для исследования волновых возмущений ионосферы.

Раздел 2.3 посвящен разработке метода исследования ПИВ по двумерным высотно-широтным сечениям ионосферы, полученным на предыдущем этапе.

Во многих случаях описание физических процессов возможно с помощью функций, состоящих из нескольких слагаемых: 1) тренд - регулярная медленно меняющаяся составляющая, описывающая глобальное поведение ряда; 2) периодическая или сумма периодических составляющих; 3) шум - быстрые нерегулярные малые вариации, в которые обычно включают все, что не укладывается в формальную модель.

Задача выделения волновых возмущений электронной концентрации на фоне регулярных вариаций и шума решена с помощью подхода 88А [6]. Отмечено, что данный метод не требует знания модели тренда, а также сведений о наличии в исследуемом ряде периодических составляющих и их периодах. Представлен базовый алгоритм метода 88А и результаты его применения к реальным экспериментальным данным. Основные его положения сводятся к следующему.

Пусть = (/о>Л,-./п-г) " исследуемый ряд, т.е. плазменные частоты на фиксированной высоте в зависимости от пространственной координаты (рисунок 3). В зависимости от удобства интерпретации полученных результатов, в качестве пространственных координат выбирались либо геомагнитные широты градусы), либо длина дуги на фиксированной высоте (я, км). Данные величины однозначно связаны между собой.

Первый шаг заключался в формировании из ряда Г тра-

1 10

<-1380(км) : <-1010(км)

< 800(км)

< Й70(КМ) : <~;570(км)

<■ 490(км) <--460(км) <~430(км) <~400(км) <■■ 360(км)

20 30 40 50 Геомагнитная широта, градусы

Рисунок 3 - Плазменные частоты на фиксированных высотах в зависимости от геомагнитной широты, полученные по ионо-граммам ИСЗ «1818-2» 20.10.1981 в интервале времен 03^2 4"' 123-О3Н34"'39 ЦТ, приемная станция КаяЫта.

екторной матрицы X:

X =

А /2

/м

где М - длина окна, 1 < М < п/2; К = п- М + 1.

Далее матрица X раскладывалась в сумму элементарных матриц, т.е. проводилось ее сингулярное разложение:

Х = Х1+Х2 + - + Ха, Х^^ирт, (1)

где Л1 > Я2 > ••• > > 0 - упорядоченные ненулевые собственные числа матрицы ХХТ; й = тах{г: Я^ > 0} - порядок сингулярного разложения; I/ и V -собственный и факторный векторы или левый и правый сингулярные векторы. Набор СлДГ, называется 1-й собственной тройкой сингулярного разложе-

ния.

На третьем шаге проводилась группировка компонент разложения:

X = Хп + Х12 + —I- Х1т, Хц = ¡¡Хк. (2)

Необходимо сгруппировать элементарные матрицы разложения (1) таким образом, чтобы одна группа (Ял) соответствовала тренду, другая (Х12) - периодической составляющей, .Х/у - шуму и т.д.

Одним из наиболее важных направлений развития метода ЯБА является автоматизация процедуры идентификации (автоматизация выделения тренда, обнаружения и выделения периодичностей). Однако в настоящее время лучше развит аппарат интерактивного применения подхода ББА, т.е. идентификация компонент ряда на основе графического представления промежуточных результатов с опорой на имеющиеся теоретические сведения. Интерактивность дает возможность более гибкого применения метода со стороны пользователя и приводит к более качественному и глубокому анализу исследуемого ряда.

Общие правила группировки членов сингулярного разложения при идентификации компонент ряда Г приведены в [6]. Целью данной работы являлось выделение периодических составляющих. Для того чтобы идентифицировать собственные тройки (Л/л7, I^í, Уг) сингулярного разложения (1), соответствующие гармонике, использовались следующие теоретические положения.

1. Использование собственных чисел Я¡. Для идентификации гармоники необходимо рассматривать только пары соседних собственных троек, с номерами вида ¿, I + 1. Этот факт значительно упрощает процедуру идентификации. Собственные числа Яг и Яг+1, порожденные гармоникой, асимптотически при М,К оо равны. На практике они оказываются близки друг к другу.

2. Графическое представление сингулярных векторов. Оба собственных вектора ([/г и {/¿+1), соответствующие гармонике, также будут гармониче-

скими. Их частоты равны, а разница в фазе стремится к 7г/2. Пары собственных векторов, соответствующих гармоническим составляющим ряда, удобнее искать на двумерных диаграммах, на которых по одной оси откладываются элементы вектора 1/;, а по другой - элементы вектора 1/(+1. Гармоническим составляющим должны соответствовать правильные многоугольники. Так в идеализированном случае (по оси X - косинус, по оси У - синус, с одинаковыми частотами и амплитудами) на двумерном графике получим точки, лежащие на окружности. При исследовании реальных физических процессов собственные вектора и; и (/¿+1 образуют достаточно симметричные относительно нуля «спирали», имеющие некоторую регулярность поведения.

3. Оценка частоты сингулярных векторов. Частоты двух сингулярных векторов иI и и 1+1, соответствующих гармонике, будут приблизительно равны. Считается, что сингулярные векторы 1/г и {/¿+1 соответствуют гармонической составляющей, если их периодограммы имеют максимумы приблизительно при одном и том же значении частоты.

Далее представлен пример выделения периодической составляющей одного из исследуемых рядов - вариации плазменной частоты на фиксированной высоте 370 км вдоль всей трассы наблюдения для случая зондирования с борта ИСЗ «1818-2» 20.10.1981, приемная станция КазЫта.

2 4 6 8 10 12 Порядковый номер собственного числа (¡)

Рисунок 4 — Собственные числа Л; сингулярного разложения (1).

Рисунок 5 - Двумерные диаграммы собственных векторов иI разложения (1).

Вторая и третья собственные тройки сингулярного разложения (1) соответствуют гармонике: собственные числа Л2 и ^з приблизительно равны - «сту-

пенька» на рисунке 4; сингулярные вектора U2 и 1/3 являются квазипериодическими и имеют разницу в фазе примерно тг/2 - фигура на двумерной диаграмме 2-3 симметрична относительно нуля и по форме близка к окружности (рисунок 5); максимумы периодограмм векторов U2 и 1/3 совпадают с точностью до третьего знака после запятой. Первая собственная тройка сингулярного разложения соответствует тренду: вклад Л1 в общее разложение (1) более 94%; вектор U1 изменяется медленно, его элементы равны между собой с точностью до второго знака после запятой; максимум периодограммы находится в нуле.

Таким образом, на этапе группировки анализируются собственные тройки сингулярного разложения ряда F. Пользуясь общими правилами группировки, делается вывод об отсутствии или наличии в ряде гармонической составляющей. Определяются две собственные тройки (г-я и (i + 1)-я), соответствующие гармонике. В соответствии с формулами (1) и (2) находятся матрицы Xt и Xi+1, а так же их сумма Хц.

Последним шагом базового алгоритма SSA является диагональное усреднение, в результате которого каждая матрица сгруппированного разложения (2) переводится в новый ряд длины п.

Результатом работы всего алгоритма SSA является разложение исходного ряда F в сумму аддитивных составляющих. В общем случае - это тренд (Ftrend), периодическая составляющая (Fcycle) и шум (Fnoise):

F Ftrend, "t" Fcycle Fnoise-

Результат разложения исследуемого ряда F приведен на рисунках 6 и 7.

Далее решается задача определения параметров волнового возмущения. С этой целью полученная квазиволновая структура Fcycle, аппроксимируется в виде экспоненциально-модулированной гармоники:

FappAs) = Apeas cos[fc(s - ¿0)1- (3)

где к = 2тг/L — волновое число, L — длина волны, L0 — начальная фаза, s - текущая вдоль орбиты координата, Ар- амплитуда гармоники, а — показатель экспоненты. Такая модель позволяет учитывать затухание волновых возмущений по мере их распространения. Параметры возмущения находятся последовательно путем минимизация функционала:

S(Ap,k, L0,a) = ^[Fcyc,e(s;) - Fappr(Si)]2. ¡=i

0.4

-»-Р .

сус!е

-0.4,

1000

2000

3000

1000 2000 3000

Б, КМ

км

Рисунок 6 - Разложение эксперимен- Рисунок 7 - Вариации плазменной ча-

тачыюго ряда (к = 370 км, ИСЗ стоты на высоте Л = 370 км (ИСЗ

«1818-2», 20.10.1981) на аддитивные «1818-2», 20.10.1981): линия с кружками

составляющие: линия с квадратами - - периодическая составляющая Fcyc|e,

исходный ряд К, штриховая линия - выделенная методом 88Л; сплошная ли-

тренд РСгепЛ. ния - аппроксимация гармоникой Раррг.

Задача аппроксимации сводится к стандартной схеме метода наименьших квадратов. Аппроксимирующая кривая вычисляется совместно с доверительными интервалами (среднеквадратичными отклонениями ±<т). Качество аппроксимации определяется с помощью относительной мощности остатка.

На рисунке 7 представлен результат аппроксимации возмущения Гсус!е (/г = 370 км, ИСЗ «1818-2», 20.10.1981) гармоникой (Раррг ± ст) с амплитудой Ар = 0.43 МГц, длиной волны Ь = 1977 км, начальной фазой ¿0 = 280 км, экспоненциальным показателем а = —2.2 х 10~4 км"1.

Разработанная методика позволяет проводить диагностику наличия квазипериодических вариаций электронной концентрации в исследуемых высотно-широтных сечениях ионосферы, а так же определять высотный ход параметров данных волновых возмущений.

В разделе 2.4 проведено сравнение подхода ББА и методов, использующих в качестве тренда полиномы невысоких степеней или модель 1М, откорректированную специальным образом по реальным экспериментальным данным. Апробация разработанного метода на модельных данных показала его высокую эффективность для выделения средне- и крупномасштабных волнопо-добных возмущений. Отмечено, что метод ЯЯА дает минимальные погрешности и не требует априорного задания модели исследуемого ряда.

Третья глава посвящена исследованию ионосферы во время геомагнитных возмущений с целью выявления ПИВ и определения их параметров. Разработанная методика апробирована на данных двадцати сеансов спутникового зондирования (9 отечественных и 11 зарубежных), соответствующих возмущенным геомагнитным условиям. Использовались данные приемных станций Ростов-на-Дону, Кашима (Япония) и Оттава (Канада), охватывающие средне-широтную и приэкваториальную зону.

Для пяти сеансов зондирования выявлены явные волновые структуры внешней ионосферы, ассоциированные с крупномасштабными ПИВ. Следует отметить, что начиная с некоторых высот во внешней ионосфере не удавалось идентифицировать гармонику Рсус!е, т.е. в исследуемый ряд Т7 возможно представить только в виде суммы тренда и шума, что позволяет сделать вывод об отсутствии ПИВ на этих высотах. С ростом высоты во внешней ионосфере амплитуда ПИВ уменьшается и, начиная с некоторой высоты, она становится сопоставима с амплитудой шума.

В результате применения метода БЯА, в некотором диапазоне высот были идентифицированы и выделены квазипериодические вариации плазменных частот. После аппроксимации квазипериодических составляющих для всех фиксированных высот, получаем высотный ход параметров ионосферного возмущения.

На рисунке 8, в качестве примера, представлены параметры квазиволнового возмущения, зафиксированного по данным эксперимента 20 октября 1981. В течении дня наблюдался резкий рост авроральной активности, Кр-индекс достигал значения 7, а суммарный Кр-индекс за день равнялся 42, что соответствует сильно возмущенным условиям. В соответствии с характерными пространственными размерами, волновая структура классифицирована как КМ ПИВ.

Разработанная методика позволяет проследить эволюцию волновых фронтов ПИВ (рисунок 8 г). Приравнивая аргумент при косинусе в выражении (3) к константе (заданному значению фазы) для различных высот, получаем линии равных фаз. Фронт ПИВ в вертикальной плоскости имеет наклон в сторону своего распространения. Различие величины скорости звука на различных высотах в атмосферном волноводе, приводит к тому, что наклон фронта ПИВ увеличивается при удалении от источника. Направление распространения ПИВ в мери-

диональной плоскости определялось по наклону волновых фронтов и их эволюции во всем интервале наблюдения, а так же путем анализа параметров возмущения (амплитуды и показателя а). В зависимости от предполагаемого направления распространения возмущения, получаем либо экспоненциально-затухающую, либо экспоненциально-возрастающую гармонику. Из физических соображений за направление распространения возмущения принималось направление в сторону его затухания. Полученные параметры ПИВ находится в согласии с основными теоретическими работами, посвященными ПИВ, а так же с их экспериментальными исследованиями различными радиофизическими методами.

0.2 0.25

А, МГц

а) амплитуда А — Ареа!! в середине интервала наблюдения (5=1750 км)

350

500 1000 1500 2000 2500 Ь, Ь км

б) длина волны Ь и начальная фаза 10

а х 10

в) экспоненциальный показатель а

550

500

,450

400

350 10

20 30 40 50

Геомагнитная широта, градусы

г) волновые фронты во всем интервале наблюдения

Рисунок 8 - Высотные вариации параметров волнового возмущения, зафиксированного по данным ИСЗ «75/5-2», 20.10.1981, приемная станция КавЫта.

При обращении ионограмм внешнего зондирования в профили электронной концентрации предполагалось, что зондирование является вертикальным. В заключительном разделе третьей главы приведена оценка ошибок, возникаю-

щих в результате такого предположения. Анализ показал, что при диагностике крупномасштабных ПИВ с небольшими амплитудами (в работе АРШ <10%) данное приближение не вносит значительных погрешностей при определении параметров волновых возмущений. Погрешность при определении относительной амплитуды и длины волны не превышала 1%. Однако, для исследования ПИВ с большими амплитудами необходим учет отклонения от вертикального распространения зондирующих сигналов.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы по всей диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В настоящей работе дано новое решение задачи диагностики волновых возмущений околоземной плазмы по данным ее внешнего спутникового радиозондирования. В результате проведенных исследований:

1. Получены высотно-широтные распределения электронной концентрации ионосферной плазмы в плоскости орбиты спутника. Данные двумерные распределения представляют собой томографические сечения ионосферы в меридиональном направлении. Новизна предложенной методики заключается в построении полных профилей электронной концентрации от высоты спутника до высоты "начала" ионосферы (в работе 100 км) с использованием функции Гаусса и модели 1Ш.

2. Предложен метод разделения полученных пространственных структур ионосферы на регулярную и возмущенную составляющие. Методика основывается на подходе ББА и не требует априорного задания модели тренда, а так же информации о наличии или отсутствии в исследуемых структурах волновых возмущений электронной концентрации и их периодах.

3. Предложена модель, представляющая ПИВ в виде экспоненциально-модулированных периодических вариаций электронной концентрации, которая позволяет учитывать затухание ионосферных возмущений.

4. Предложена методика определения высотного хода параметров волновых возмущений — их амплитуд, длин волн, начальных фаз, экспоненциальных показателей, а так же волновых фронтов ПИВ вдоль всего интервала наблюдения. Получены выражения для оценки среднеквадратичных отклоне-

ний при определении амплитуды возмущений и доверительных интервалов аппроксимации.

5. Высокая эффективность разработанной методики диагностики средне-и крупномасштабных волновых возмущений подтверждена результатами математического моделирования, оценкой разрешающей способности метода СВЗ, а так же оценкой погрешностей вычисляемых ионосферных параметров.

6. С помощью разработанной методики исследованы волновые возмущения внешней ионосферы на примере пяти сеансов зондирования с борта ИСЗ «1818-2» и «Космос-1809». Установлены следующие основные особенности:

• Все зафиксированные волновые структуры относятся к классу КМ ПИВ (длины волн меняются в широком диапазоне от 700 до 2500 км) и связаны с авроральной активностью.

• Амплитуды ПИВ достигают максимума вблизи высот И.тР2, а затем с увеличением высоты они плавно уменьшаются. Таким образом, получено подтверждение концепции затухания ПИВ во внешней ионосфере за счет влияния вязкости и теплопроводности.

• Волновые фронты ПИВ во внешней ионосфере не являются плоскими.

КМ ПИВ генерируются в районах полярных широт северного и южного

полушарий и распространяются в меридиональном направлении к экватору. Поэтому зафиксированные вблизи экватора волновые структуры могут представлять собой суммарную картину КМ ПИВ от различных авроральных источников.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Денисенко П. Ф., Хомяков А. А. Выделение методом ЭЯА квазиволновых структур в ионосфере по данным спутникового зондирования // Электромагнитные волны и электронные системы. Т. 18. № 9. 2013. — с. 19-22.

2. Денисенко П. Ф., Иванов И. И., Новиков В. М., Хомяков А. А., Котов М. Ю. Перемещающиеся ионосферные возмущения во внешней ионосфере по данным спутникового зондирования // Электромагнитные волны и электронные системы. Т. 16. № 5. 2011. - с. 29-34.

3. Денисенко П. Ф., Сказик А. И., Хомяков А. А., Котов М. Ю. Выделение слабых пространственных структур ионосферы по данным внешнего

зондирования // Электромагнитные волны и электронные системы. Т. 15. № 5. 2010.-с. 30-33.

4. Денисенко П. Ф., Иванов И. И., Новиков В. М., Хомяков А. А. Диагностика ионосферных возмущений по данным спутникового зондирования // «Излучение и рассеяние электромагнитных волн. ИРЭМВ-2011». Труды Международной научной конференции. Таганрог-Дивноморское, Россия, 27 июня-2 июля, 2011.-с. 396-399.

5. Денисенко П. Ф., Сказик А. И., Новиков В. М., Хомяков А. А., Котов М. Ю. Спутниковый мониторинг возмущений околоземной плазмы для адаптации космических телекоммуникационных систем // Сборник научных трудов «Современные проблемы радиоэлектроники». РТИС ГОУ ВПО «ЮР-ГУЭС», Ростов-на-Дону, 2010. - с. 53.

6. Денисенко П. Ф., Иванов И. И., Соцкий В. В., Хомяков А. А. Исследование квазиволновых возмущений в ионосфере по данным спутникового внешнего радиозондирования // «Излучение и рассеяние электромагнитных волн. ИРЭМВ-2013». Труды международной научной конференции. 2013. - с. 549-555.

7. Денисенко П. Ф., Иванов И. И., Новиков В. М., Хомяков А. А., Котов М. Ю. Перемещающиеся ионосферные возмущения во внешней ионосфере по данным спутникового зондирования // Труды XXIII Всероссийской научной конференции «РРВ-23». Йошкар-Ола, 2011 г. Т. 1. - с. 319-322.

8. Денисенко П. Ф., Иванов И. И., Соцкий В. В., Хомяков А. А. Определение пространственной структуры ионосферы по данным спутникового внешнего зондирования // «Современные проблемы радиоэлектроники». Сборник научных трудов. Ростов-на-Дону, 17 мая 2012, ЮРГУЭС. - с. 43-46.

9. Денисенко П. Ф., Иванов И. И., Соцкий В. В., Хомяков А. А. Определение пространственных распределений электронной концентрации по данным спутникового внешнего зондирования ионосферы [Электронный ресурс] // Гелиогеофизические исследования. № 4. 2013. - с. 58-67. Доступ с сайта ФГБУ «ИПГ»: http://ipg.geospace.ru/

10. Хомяков A.A., Соцкий В.В. «Диагностика ионосферной плазмы по данным внешнего спутникового зондирования на основе обращения интегрального уравнения Вольтера». Международная научная конференция «Математическая физика и ее приложения». Пятигорск. 2012. Т. 1. — с. 11-18.

11. Хомяков A.A., Детектирование волновых возмущений в околоземной плазме по данным спутникового зондирования. Тезисы докладов 62-й научной конференции физического факультета, Ростов-на-Дону, 2010, стр.50.

12. Котов М.Ю., Хомяков A.A., Диагностика внешней ионосферы методом спутникового зондирования. Тезисы докладов 61-й научной конференции физического факультета, Ростов-на-Дону, 2009. — 52 с.

13. Хомяков A.A. Детектирование волновых возмущений в околоземной плазме по данным спутникового зондирования. Труды аспирантов и соискателей южного федерального университета, Ростов-на-Дону, 2011, Т. XVI, с. 96-100.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Носке К., Schlegel К. A review of atmospheric gravity waves and travelling ionospheric disturbances: 1982-1995 // Ann. Geophys. V. 14. 1996. - p. 917— 940.

2. Афраймович Э. Л., Астафьева Э. И., Воейков С. В. Генерация ионосферных неоднородностей при распространении уединенной внутренней гравитационной волны во время мощной магнитной бури 29-31.10.2003 г. // Известия вузов. Радиофизика. Т. 49. № 2. 2006. - с. 89-104.

3. Куницын В. Е., Терещенко Е. Д., Андреева Е. С. Радиотомография ионосферы. - М.: ФИЗМАТЛИТ. 2007. - 336 с.

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

5. Данилкин Н. П., Жбанков Г. А., Журавлев С. В., Котонаева Н. Г. Трансионосферное радиозондирование - метод диагностики наличия ионосферных неоднородностей [Электронный ресурс] // Гелиогеофизические исследования: научный электронный журнал. 2012. № 2. — Доступ с сайта ФГБУ «ИПГ»: http://ipg.geospace.ru/

6. Golyandina N., Nekrutkin V., Zhigljavsky A. Analysis of Time Series Structure: SSA and Related Techniques. London: Chapman & Hall/CRC, 2001. -305 p.

Сдано в набор 03.04.2014. Подписано в печать 03.04.2014. Формат 60x84 1/16. Цифровая печать. Усл. печ. л. 1,0. Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Заказ 0304/01.

Отпечатано в ЗАО «Центр универсальной полиграфии» 340006, г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 140, телефон 8-918-570-30-30

www.copy61.ru e-mail: info@copy61.ru

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Хомяков, Артем Александрович, Ростов-на-Дону

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"

На правах рукописи 04201458985 ^

Хомяков Артем Александрович

ВОЛНОВЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ В ОКОЛОЗЕМНОЙ ПЛАЗМЕ ПО ДАННЫМ

СПУТНИКОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

01.04.03 - радиофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор П.Ф. Денисенко

Ростов-на-Дону - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение............................................................ 4

1 Волновые возмущения околоземной плазмы и методы их исследования.....13

1.1 Перемещающиеся ионосферные возмущения.......................13

1.2 Методы исследования перемещающихся ионосферных возмущений ... 17

1.2.1 Ионозондовые методы................................... 17

1.2.2 Метод некогерентного рассеяния..........................20

1.2.3 вРЗ-измерения и радиотомография ионосферы..............21

1.2.4 Внешнее спутниковое зондирование.......................24

1.3 Характеристики перемещающихся ионосферных возмущений

по данным наземных методов и вРБ-измерений.......................27

1.4 Основные результаты первой главы..............................31

2 Диагностика волновых возмущений по данным спутникового зондирования........................................................33

2.1 Исходные экспериментальные данные и их обработка..............33

2.2 Обращение ионограмм спутникового вертикального

зондирования в профили электронной концентрации...................38

2.2.1 Теоретическое решение обратной задачи спутникового вертикального зондирования...................................39

2.2.2 Практическая реализация метода..........................44

2.2.3 Восстановление полного профиля электронной концентрации...............................................46

2.2.4 Построение пространственных распределений

электронной концентрации....................................49

2.3 Выделение квазиволновых структур на фоне шума и

регулярных вариаций ионосферы методом ББА.......................50

2.3.1 Базовый алгоритм метода 88А ............................52

2.3.2 Оценка частоты и экспоненциального показателя

гармоники методом 88 А.......................................63

2.3.3 Определение параметров волновых возмущений

ионосферы..................................................66

2.4 Применение метода 88 А к модельным данным....................70

2.5 Основные результаты второй главы.............................78

3 Исследование квазиволновых возмущений ионосферы по данным

ИСЗ «1818-2» и ИСЗ «Космос-1809».....................................79

3.1 Исходная экспериментальная информация........................79

3.2 Выделение квазиволновых вариаций электронной концентрации.....82

3.3 Параметры перемещающихся ионосферных возмущений........... 86

3.4 Основные результаты третьей главы............................101

Заключение........................................................104

Литература.........................................................106

Введение

Характерной особенностью ионосферы является ее изменчивость и неоднородность. Возмущения (неоднородности) проявляются в виде вариаций различных параметров среды (локальной электронной концентрации, полного электронного содержания, температуры ионов и электронов). Часто горизонтальное распределение электронной концентрации в ионосфере имеет четко выраженную квазипериодическую составляющую, которую называют волновыми возмущениями. Такие волноподобные возмущения, образующиеся под воздействием атмосферных гравитационных волн [1, 2], называются перемещающимися ионосферными возмущениями (ПИВ). Они играют фундаментальную роль в энергетике и динамике атмосферы и ионосферы.

ПИВ возникают под воздействием естественных и искусственных факторов. Различными методами волновые возмущения зарегистрированы при движении солнечного терминатора [3], во время магнитных бурь [4], солнечных вспышек [5], землетрясений [6], взрывов [7] и т.д. Подобные возмущения являются индикатором состояния окружающей среды (индикатором процессов, генерирующих ПИВ). Это дает предпосылки использования ионосферных наблюдений для диагностики и прогноза различных процессов естественного и техногенного происхождения.

Интерес к проблеме изучения волновых возмущений околоземной плазмы обусловлен тем, что эти исследования имеют важные прикладные аспекты. Ионосфера как среда распространения радиоволн существенным образом влияет на работу различных систем навигации, локации и связи. Например, рефракция радиосигналов системы GPS (Global Positioning System) при пересечении крупномасштабного ионосферного возмущения вносит значительные ошибки в определение координат [8]. Рассеяние на мелкомасштабных неоднородностях электронной концентрации [9] может приводить к полной потере сигнала навигационных спутников. Учет влияния ионосферных возмущений необходим при разработке спутниковых телекоммуникационных систем [10]. Перемещающиеся ионосфер-

ные возмущения влияют на траекторные характеристики высокочастотных (ВЧ) радиоволн и, как следствие, на характеристики систем ВЧ связи [11, 12]. Волно-подобные ионосферные неоднородности вызывают фокусировку и дефокусировку излучения [13], многолучевое распространение [14], замирания коротковолновых радиосигналов (фединг), а в очень возмущенных условиях поглощение радиосигнала делает связь на коротких волнах практически невозможной. Точный прогноз таких явлений позволит заблаговременно учесть влияние волновых возмущений ионосферы или выбрать альтернативную возможность обеспечения связи.

Несмотря на большие достижения в изучении ПИВ за последние полвека, многие вопросы их генерации и динамики не получили должного объяснения. До сих пор нет достаточной ясности в понимании их основных характеристик, например, скорости и направления перемещения. Однозначно не решен вопрос о том, являются ли волновые возмущения периодическим процессом или уединенной волной [15, 16], перемещающейся на большие расстояния от источника генерации.

Для исследования ПИВ используются методы наземного ионозондового зондироваиия [17], когерентного [18] и некогерентного рассеяния [19], томографии [20] и GPS наблюдения [21]. Однако радары некогерентного рассеяния являются дорогостоящими, сложными, громоздкими установками. GPS наблюдения и методы томографии ограничены по охвату территорий, т.к. требуют использования сети приемных станций на поверхности Земли, расположенных вдоль траектории пролета спутника. Методы наземного зондирования позволяют регистрировать волновые возмущения только во внутренней ионосфере. В то время как информации о характеристиках ПИВ во внешней ионосфере практически нет.

Таким образом актуальной является задача исследования волновых возмущений во внешней ионосфере. Ее решение, как показано в работе, может быть получено с помощью вертикального спутникового зондирования. Этот метод является мощным средством для исследования ПИВ, поскольку дает широтные разрезы всей толщи внешней ионосферы от высоты максимума слоя F до высоты спутника в любом долготном секторе. Спутниковое зондирование охватывает

большие пространства за относительно короткий интервал времени. Эти эксперименты обеспечивают исследования внешней ионосферы не только в локальных областях над пунктами наблюдений, но и по всему земному шару.

Предметом исследования являются волноподобные структуры внешней ионосферы, возникающие в возмущенных геомагнитных условиях.

Целыо диссертационной работы является разработка метода выделения волновых возмущений ионосферы и определения высотного хода их параметров по данным внешнего вертикального спутникового импульсного зондирования.

Для достижения поставленной в работе цели решены следующие основные задачи.

1. Решена задача обращения ионограмм внешнего спутникового зондирования в Л/е(/1)-профили и получены высотные зависимости электронной концентрации выше и ниже максимума слоя F.

4. Разработан метод определения высотного хода параметров волновых структур с учетом их затухания.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем.

1. Представлен метод томографирования ионосферы по данным внешнего спутникового радиозондирования в ВЧ диапазоне. Впервые с помощью данной методики получены "полные" меридиональные сечения ионосферы от высоты спутника до высот -100 км. В отличие от ранее разработанных методов, для уточнения величин ктР2 и foF2 использована функция Гаусса, а высотный ход электронной концентрации во внутренней ионосфере определен по откорректирован-

ной модели IRI.

2. Предложен новый метод детектирования волновых возмущений околоземной плазмы, заключающийся в разделении исследуемых неоднородных структур ионосферы на аддитивные составляющие — тренд, периодические вариации и шум. На основе подхода SSA (Singular Spectrum Analysis), сформулированы критерии, позволяющие делать вывод о наличии или отсутствии в исследуемых рядах периодических вариаций электронной концентрации.

4. Разработаны оригинальные алгоритмы и программное обеспечение для определения высотного хода параметров крупно- и среднемасштабиых волновых возмущений внешней ионосферы.

5. Исследованы характеристики ПИВ во внешней ионосфере вдоль трасс протяженностью несколько тысяч километров. Выделены сложные квазиволновые структуры, представляющие собой результат взаимодействия крупномасштабных ПИВ, распространяющихся навстречу друг к другу.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

2. Методика диагностики волновых возмущений электронной концентрации во внешней ионосфере: разложение пространственных структур ионосферы на регулярную и периодическую составляющие методом SSA; определение высотного хода параметров волновых возмущений путем их аппроксимации экспоненциально-модулированными гармониками.

3. Результаты исследования КМ ПИВ для пяти, рассмотренных в работе, случаев геомагнитных возмущений: амплитуды, экспоненциальные показатели, длины волн, начальные фазы, волновые фронты, направления распространения в

меридиональной плоскости.

1) обеспечения более надежной работы спутниковых навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС) и систем ВЧ-радиосвязи;

3) проведения радиофизических спутниковых экспериментов, а так же для обработки большого количества уже имеющихся данных внешнего зондирования, с целыо исследования неоднородной структуры ионосферы, изучения протекающих в ней процессов, корректировки и улучшения моделей ионосферы.

Апробация результатов исследования. Результаты работы обсуждались на: третьей международной конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (Ростов-на-Дону, 2010); XXIII всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (Йошкар-Ола, 2011); международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн. ИРЭМВ-2011» (Таганрог-Дивноморское, 2011); IV международной научной конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (Ростов-на-Дону, 2012); международной научной конференции «Математическая физика и ее приложения» (Пятигорск, 2012); международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн. ИРЭМВ-2013» (Таганрог-Дивноморское, 2013); семинаре «Перспективы развития метода вертикального радиозондирования» ФГБУ «ИПГ», 2122 марта 2013; региональной студенческой конференции «Фестиваль Недели

науки Юга России» (Ростов-на-Дону, 2012); 61 и 62 научных конференциях физического факультета ЮФУ (Ростов-на-Дону, 2009-2010).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК, рекомендованных для опубликования основных научных результатов на соискание ученой степени кандидата наук, а также 10 статьей и тезисов докладов в сборниках трудов всероссийских, международных и региональных научных конференций.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. Она содержит 117 страниц текста, включающие 34 рисунка, 5 таблиц и список литературы из 117 наименований.

Первая глава диссертационной работы носит обзорный характер. В ней рассмотрены основные результаты теоретических и экспериментальных исследований ПИВ. Описаны механизмы генерации ПИВ и их основные характеристики. Приведена классификация волновых возмущений. Показано, что крупномасштабные (КМ) ПИВ, связанные с авроральной активностью, имеют характерные пространственные масштабы порядка тысяч километров и распространяются со скоростью звука в меридиональном направлении. Среднемасштабные (СМ) ПИВ с длинами волн порядка нескольких сотен километров имеют всенаправленное движение с дозвуковыми скоростями, а источники их генерации более разнообразны.

Проведен обзор и краткий анализ основных радиофизических методов исследования ПИВ. Отмечен ряд проблем, связанных с некоторыми расхождениями экспериментальных характеристик волновых возмущений, полученными различными методами, и их теоретическими значениями. Обоснована актуальность задач, решаемых в данной диссертационной работе. Дано обоснование применимости метода спутникового зондирования для выделения среднемасштабных и крупномасштабных волновых возмущений ионосферы.

Во второй главе решена задача выделения волноподобных возмущений ионосферной плазмы и определения высотного хода их параметров по данным внешнего спутникового зондирования. Разработанная методика включает в себя три этапа, которые подробно описаны и вынесены в отдельные подразделы данной главы.

На первом этапе выполнена обработка первичной информации - интерпретация и оцифровка ионограмм внешнего зондирования. Рассмотрены условия и режимы экспериментов с искусственными спутниками Земли (ИСЗ) «Космос-1809» и «1818-2». Приведена схема аппаратурного стенда для перевода ионограмм, зарегистрированных на магнитных лептах, в цифровой вид. Описано разработанное программное обеспечение и представлены примеры его применения.

На втором этапе решена задача построения пространствешюго распределения электронной концентрации в плоскости орбиты спутника. Приведено теоретическое решение обратной задачи спутникового вертикального зондирования, а так же практическая реализация данной методики. Для обращения серии последовательных ионограмм внешнего зондирования в Ме(Л.)-профили использовалась кусочно-непрерывная модель. Высота максимума электронной концентрации определялась с помощью алгоритма, использующего функцию Гаусса. Высотный ход электронной концентрации в нижней ионосфере построен по модели ПИ, откорректированной по вычисленным значениям ктИ2 и /о/72. Приведены оценки погрешностей вычислени�