Комплекс импульсного зондирования ионосферы как информационно-образовательная система

А.Г. Колесник, С.А. Колесник, П.М. Нагорский, Ю.Е. Таращук, Б.Б. Цыбиков

КОМПЛЕКС ИМПУЛЬСНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ КАК ИНФОРМАЦИОННО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

Представлено описание информационно-образовательной системы импульсного зондирования ионосферы, включающей в себя возможность связи, передачи и обработки данных зондирования в локальной сети радиофизического факультета Томского госуниверситета и представления информации в сети Шети^. Система используется как учебно-научнопроизводственная лаборатория, сопровождающая спецкурсы лекций, проведение научно-исследовательской работы аспирантами и студентами и при мониторинговой диагностике и контроле состояния и динамики ионосферы.

Актуальность создания информационно-образовательной системы на базе комплекса диагностики и контроля состояния ионосферы и верхней атмосферы определяется тем, что ионосфера является экраном, который чутко реагирует как на процессы вблизи земной поверхности, так и на процессы, протекающие в верхних слоях атмосферы Земли, ее магнитосфере, солнечном ветре и на Солнце. Эти исследования осложняются тем, что ионосфера не является изолированной системой. Как составная часть верхней атмосферы и околоземного космического пространства она тесно взаимодействует и с нижележащими слоями атмосферы, и с магнитосферой. Введение в подготовку научно-учебных кадров высшей квалификации специальных курсов, предназначенных для создания целостной картины окружающего мира, методов и средств его диагностики и контроля, требует соответствующего развития учебно-научных экспериментальных средств зондирования ионосферы, выявления присущих ей закономерностей, адекватного описания её состояния, оценке тенденций её модификации под воздействием естественных и антропогенных факторов.

Проблема создания методов и средств, позволяющих превратить станцию импульсного вертикального зондирования ионосферы в информационно-образовательную систему, требует обоснования и разработки методов и средств регистрации, многоэтапной обработки и многоуровневой системы представления данных. Система как единое целое должна быть снабжена легко доступной справочной информацией, необходимой как для работы обслуживающего систему персонала, так и в учебно-методическом процессе.

1. СВЕДЕНИЯ ОБ ИОНОСФЕРЕ И КОМПЛЕКСЕ ЗОНДИРОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ

Ионосферой называют ту часть верхней атмосферы, в которой электронная плотность достаточна, чтобы оказывать значительное влияние на распространение радиоволн. Она начинается на высотах ~ 60 км днем (ночью ~ 100 км) и простирается до высот ~ 1000 км [1]. Измерения основных параметров ионосферной плазмы проводятся методом импульсного вертикального радиозондирования [2]. Основной задачей импульсного метода является получение профиля распределения электронной концентрации с высотой. Снизу диапазон частот зондирования ограничен быстрым ростом поглощения энергии импульса с уменьшением его частоты, а сверху - предельными значениями электронной концентрации в ионосфере.

Для дистанционной диагностики ионосферы в отделе геофизики и экологии Сибирского физикотехнического института и в учебном процессе на кафедре космической физики и экологии радиофизического факультета Томского госуниверситета используется ионозонд «Парус», структурная схема которого приведена на рис. 1. Развитие методов и средств управления сложными техническими комплексами, обработки и графического представления информа-

ции позволило создать такую систему, которая автоматически ведет зондирование по заранее сформированной программе, в диалоговом режиме с оператором ведет многоуровневую обработку данных зондирования, формирует базы исходных и обработанных данных зондирования, а также графическое представление информации в локальной сети факультета и сети Мете! Структурная схема иллюстрируется рис. 2.

Рис. 1. Структурная схема ионозонд «Парус»

Рис. 2. Структура информационно-образовательной системы. Запрос на зондирование ионосферы по каналу Intemet через сервер-маршрутизатор (№увИ-сервер, №-1) поступает на Web-сервер (№-2). Оператор (№-3), контролирующий работу системы (№-4), принимает решение о проведении зондирования. После принятия заявки комплекс ведет зондирование, обрабатывает ионограммы и формирует базу данных

2. ОБРАБОТКА И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ДАННЫХ В ЛОКАЛЬНОЙ СЕТИ И СЕТИ INTERNET

Первичный материал представляет собой ионо-граммы, типичный вид которых иллюстрируется рис. 3. С помощью специально разработанной программы ионограмма обрабатывается в диалоговом

режиме. В результате, после каждого сеанса зондирования, определяются к -профили регулярных и спорадических слоев ионосферы и оцениваются, согласно [3], основные параметры ионосферы (к'Б2, к'Б1, к'Е, к'Ез, /хБ2, /хБ1, /хЕ, /оЕб, /оБ2, /оБ1, /оБ, /ЬЕб, / тіп). По этим параметрам за каждые сутки строятся /- и к-графики (рис. 4), которые являются основой ионосферной составляющей Мировых центров данных

(МЦД) при оценке «космической погоды», построении глобальных моделей ионосферы, прогнозе распространения радиоволн. Данные зондирования каждый час поставляются в МЦД Б2, Москва. Обработанные данные получают как при текущей работе оператора, так и в процессе проведения лабораторных работ, сопровождающих спецкурсы лекций, и научноисследовательской работы студентов.

Рис. 3. Необработанная информация данных зондирования. Ионограмма за 01.11.2001 г., 2:00 томского декретного зимнего времени. Стрелкой указано отражение необыкновенной компоненты от слоя Б, выше (вверху слева) - двукратное отражение от слоя Б

Рис. 4. Обработанные данные зондирования в локальной сети и сети Метй. Суточные вариации параметров ионосферы (/-график - слева, Л-график - справа). По оси абсцисс - Томское декретное время в часах, по оси ординат - частота в килогерцах (/-график) или высота в километрах (Л-график). Меню: внизу слева - выбор даты (число, месяц, год), справа - цветными символами указывается тип выбираемой информации, вверху - настройка изображения

В сеть Шегпе! по адресу http://sosrff.tsu.ru выставляется только часть данных зондирования и обработанных данных: ход критических частот и высот регулярных и спорадических слоев ионосферы за текущие и предыдущие сутки, последняя снятая ионо-грамма за текущие и последняя снятая ионограмма за предыдущие сутки. Поступающая на сайт Метена информация обновляется каждые 15 минут. В локальной сети, в отличие от сайта Шегпе^ доступна как числовая (базы данных), так и обзорная графическая информация за выбранную дату: суточный ход вариаций критических частот (рис. 4) и действующих высот регулярных и спорадических слоев ионосферы. Доступ к информации разрешен с любого компьютера локальной сети.

Для удобства работы с информацией и базами данных разработано и реализовано меню, позволяющее провести выбор или отбор необходимой информации, ее просмотр и анализ. В меню реализованы возможности изменения масштаба рисунка, перемещение его по экрану монитора, вызов на экран двух и более рисунков за разные даты и т.д.

3. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

При проведении самостоятельной учебно-методической или научно-исследовательской работы не всегда возможно экстренно получить консультацию опытного педагога-специалиста. Поэтому для оперативных консультаций в процессе работы с исходным

материалом создана консультационная система Help. Эта система создана на основе инструкции URSI [З] и позволяет получать необходимую развернутую консультацию. Её меню имеет вид, представленный на рис. 5,а. Типичная подсказка иллюстрируется рис. 5,б.

Таким образом, консультационная система стимулирует развитие самостоятельности в процессе подготовки и проведения лабораторных работ студентами, а также научной работы студентами, аспирантами и соискателями.

Windows Help

File Edit Bookmark Options Help

Contents I jndex I Back | Print | << | >> |

Рис. 5. Меню консультационной системы Help (выбор темы мышкой выводит на экран справочную информацию): а - главное меню; б - пример типичной подсказки

Правила оценки параметра fxl

б

Определение Параметр Ы определяется как наивысшая частота, на которой зарегистрированы отражения от области ^независимо от того, отразились ли они вертикально от слоя над головой или по наклонному пути Таким образом, Ы есть предельная частота рассеянных Я следов, включая полярные и экваториальные шпоры, но исключая следы, рассеянные обратно от поверхности Земли На практике Ы определяется наивысшей частотой, на которой видны на ионограмме следы отражений от области Р, за исключением двух случаев:

fxl надо отсчитывать го ионограмме с нормальным усилением, за исключением случаев полного поглощения (йтш заменяется б) В этом случае Ы также заменяется буквой В. а) Не принимаются во внимание следы, обусловленные обратным рассеянием от поверхности Земли и обусловленные обратным рассеянием от спорадического Е.

Windows Help

File Edit Bookmark Options Help

| Contents) Index | Back j Print | 1 » 1

Рекомендации URSI по обработке ионограмм

Правила заполнения телеграммы • Классификация типов Es 3

• Типы F - рассеяния • Правила оценки параметра fxl а d

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Информационно-образовательная система импульсного зондирования ионосферы является составной частью процесса обновления (использование метода удаленного доступа, технологий дистанционного образования, Іпіетеї-технологий) подготовки специалистов по специальности «радиофизика и электроника» и магистров по направлению «радиофизика» на радиофизическом факультете Томского госуниверси-тета.

2. При помощи метода удаленного доступа через Шегпе! (адрес http://sosrff.tsu.ru) эта система может использоваться для обучения студентов и магистрантов других вузов, специализирующихся на подготовке специалистов в области «космической погоды», дистанционной диагностики и контроля окружающей

среды, охраны окружающей среды, передачи и защиты информации в ионосферных каналах связи.

Разработка и реализация информационнообразовательной системы импульсного зондирования ионосферы связана с основными направлениями работ СФТИ и ТГУ, с исследованиями, ведущимися по ФЦП «Интеграция науки и высшего образования России» (проект «Академический университет», центр «Физика окружающей среды»), и выполнена при частичной поддержке программы Минпромнауки РФ «Содержание уникальных стендов и установок» (№ 06-22), грантов РФФИ и Минобразования РФ (№ 01-05-65274, 01-05-65315, Е02-3.5-291). В разработке активное участие приняли студенты, магистранты и аспиранты кафедры космической физики и экологии радиофизического факультета Томского госуниверситета.

ЛИТЕРАТУРА

1. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А.Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 527 с.

2. Девис К. Радиоволны в ионосфере. М.: Мир, 1973. 501 с.

3. Руководство ЦК5! по интерпретации и обработке ионограмм. М.: Наука, 1977. 344 с.