способ мониторинга вертикального распределения электронной концентрации ионосферы

Формула изобретения

Способ мониторинга вертикального распределения электронной концентрации ионосферы, заключающийся в том, что формируют группу спутников и излучают со спутников электромагнитное излучение, которое принимают на спутниках из этой же группы, отличающийся тем, что группу формируют из не менее чем двух спутников, расположенных в одной плоскости орбиты, таким образом, чтобы зоны взаимной радиовидимости спутников находились в пределах ионосферы, при этом излучают, как минимум, с одного спутника не менее двух когерентных электромагнитных колебаний разных частот и регистрируют, как минимум, на одном спутнике разность фаз между этими электромагнитными колебаниями после их прохождения через ионосферу, а по полученной величине разности фаз рассчитывают полное электронное содержание ионосферы на пути распространения колебаний.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам мониторинга природных сред и предназначено для определения состояния ионосферы.

Известны способы мониторинга ионосферы, заключающиеся в том, что измеряют электромагнитную плотность ионосферы при помощи орбитального космического аппарата. При этом измерение электронной концентрации ионосферы в данных способах осуществляют по трассе следования спутника (см. патент РФ 2205430 от 25.09.2001).

Основным недостатком подобных методов является невозможность определения параметров наиболее важной характеристики ионосферы - ее электрической концентрации, содержащей основную информацию о состоянии ионосферы.

Наиболее близким по технической сути к предложенному является способ мониторинга ионосферы, заключающийся в том, что формируют группу спутников и излучают со спутников электромагнитное излучение, которое принимают на спутниках из этой же группы (см. патент РФ 2256199 от 14.05.2003). В данном способе - прототипе - излучают со спутников электромагнитное излучение, направляют его в направлении ионосферы и регистрируют на этих же спутниках отраженное излучение, анализируя спектр которого, определяют изменение критической частоты по трассе полета и по высоте, а по изменению критической частоты рассчитывают вариации максимума плотности электронной концентрации ионосферы.

Основным недостатком этого способа является низкая точность определения состояния ионосферы из-за интегрального характера измерения электронной концентрации ионосферы.

Задачей заявленного изобретения является повышение точности определения состояния ионосферы.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности определения вертикального распределения электронной концентрации ионосферы, снижение массогабаритных и энергетических требований к платформам космических аппаратов, разрабатываемых для решения задач мониторинга ионосферы, отказ от использования наземных станций приема информации.

Для решения поставленной задачи с достижением технического результата, в известном способе мониторинга ионосферы, заключающемся в том, что формируют группу спутников и излучают со спутников электромагнитное излучение, которое принимают на спутниках из этой же группы, согласно предлагаемому изобретению группу формируют из не менее чем двух спутников, расположенных в одной плоскости орбиты, таким образом, чтобы зоны взаимной радиовидимости спутников находились в пределах ионосферы, при этом излучают как минимум с одного спутника не менее двух когерентных электромагнитных колебаний разных частот и регистрируют как минимум на одном спутнике разность фаз между этими электромагнитными колебаниями после их прохождения через ионосферу, а по полученной величине разности фаз рассчитывают полное электронное содержание ионосферы на пути распространения колебаний.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом, на котором схематично представлен один из вариантов спутниковой группы, построенной в соответствии с предложенным способом.

На фиг.1 обозначены:

1 - космические аппараты с приемником электромагнитного излучения на борту;

2 - космические аппараты с передатчиком электромагнитного излучения на борту.

Мониторинг ионосферы осуществляют следующим образом.

Со спутников 2 спутниковой группировки, сформированной спутниками 1 и 2, излучают когерентное электромагнитное излучение как минимум на двух частотах f1 и f2, которое принимают на спутниках 1. Зарегистрировав на спутниках 1 разность фаз испущенных со спутников 2 электромагнитных излучений, после их прохождения через ионосферу, можно рассчитать полное электронное содержание в ионосфере на пути распространения электромагнитного излучения в соответствии со следующим соотношением:

где ТЕС - полное электронное содержание, - разность фаз когерентного электромагнитного излучения после прохождения через ионосферу, - длина волны электромагнитного излучения с наименьшей частотой f1, r_e - радиус электрона, N - электронная концентрация и d - элемент дискретизации пространства вдоль луча визирования спутник - спутник, имеющий размерность длины [1].

С учетом вращения группировки спутников, образованных спутниками 1 и 2 по орбите, а также с учетом присутствия пересечения лучей между различными спутниками-приемниками из группы 1 и спутниками-передатчиками из группы 2 можно получить достаточное количество измерений для постановки обратной задачи спутниковой томографии ионосферы, в результате решения которой восстанавливается вертикальное распределение электронной концентрации ионосферы, в диапазоне высот, ограниченном снизу зоной взаимной радиовидимости спутников 1 и 2, а сверху высотой орбиты спутников 1 и 2.

Решение обратной задачи томографии в соответствии с [2] сводится к нахождению распределения электронного содержания N в ионосфере путем распределения измеренных ТЕС вдоль оптического пути распространения электромагнитного излучения, испущенного спутниками 2, среди элементов, на которые разбивается исследуемая область ионосферы. Зондируемая область ионосферы, определенная выше, разбивается на прямоугольные элементы, которые образуют непрерывную сетку размерностью m×n. Приняв электронное содержание N в элементе сетки постоянным и постулировав, что вклад содержания электронов в данном элементе в общую интегральную характеристику луча пропорционален оптическому пути через этот элемент, можно вычислить электронное содержание N для всех элементов, через которые прошло электромагнитное излучение.

Длину пути i-го луча (оптического пути электромагнитного излучения) по j-му элементу сетки (неизвестная электронная концентрация N в этом элементе сетки х_j) обозначим через а _ij. Измеряемая спутниками 1 разность фаз (пропорциональная ТЕС) i-го луча, обозначаемая через y_i, представляет собой линейный интеграл неизвестной функции электронного содержания вдоль этого луча. При использовании дискретной модели измерений этот линейный интеграл преобразуется в конечный ряд. Таким образом, для всего набора измерений справедлива следующая система линейных уравнений:

или в матричной форме:

,

где у=(у_i) R^m - вектор измерений,

R ^m - m-мерное евклидово пространство,

x=(x _j) Rⁿ - вектор элементов изображения,

A=(a_ij) - матрица проекций размерностью m×n.

Для решения данной системы уравнений с помощью алгоритма ART (Algebraic Reconstruction Technique) используются следующая итерационная процедура, где k - номер итерации [3].

Начальное приближение х⁰ Rⁿ выбирается произвольно,

k-я итерация

,

где - скалярное произведение:

и - евклидова норма .

Таким образом, как следует из приведенного описания, предложенный способ обеспечивает получение необходимого количества измерений характеристик электромагнитного излучения на нескольких частотах на трассе спутник-спутник, то есть решение задачи повышения точности определения электронной концентрации ионосферы с получением технических результатов, таких как определение вертикального распределения электронной концентрации ионосферы без использования наземного сегмента станций регистрации электромагнитного излучения, испущенного спутниками, а также снижение массогабаритных и энергетических требований к космическим аппаратам, разрабатываемым для задач мониторинга ионосферы.

Литература

1. Андреева Е.С., Куницын В.Е., Терещенко Е.Д. Фазоразностная радиотомография ионосферы // Геомагн. и аэрон., 1992. 32, N1. С.104-110.

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

3. Ценсор Я. Методы реконструкции изображений, основанные на разложении в конечные ряды // 1983, ТИИЭР, т.71, № 3, с.148-159.