СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ВОЗМУЩЕНИЙ ИОНОСФЕРЫ, ВЫЗВАННЫХ ЗАПУСКАМИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
METHOD OF DETECTING IONOSPHERIC PERTRUBATIONS CAUSED BY LAUNCHING THE SPACE SHIPS

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для дистанционного контроля за запусками космических аппаратов.
Способы регистрации ионосферных возмущений, вызванных естественными и техногенными источниками, с помощью сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) GPS, ГЛОНАСС разработаны и активно используются два последних десятилетия [1-3]. Способы основаны на том, что при распространении в ионосфере навигационные радиосигналы испытывают задержку, величина которой пропорциональна значению полного электронного содержания (ПЭС) вдоль луча "приемник ГНСС - спутник ГНСС". Это позволяет определять ПЭС по измерениям ГНСС-приемника. Фильтрация полученных рядов ПЭС в выбранном диапазоне периодов колебаний позволяет выделить возмущения, обусловленные различными факторами.
Наиболее близким (способ-прототип) к решению поставленной задачи является способ регистрации с помощью сигналов ГНСС ударных акустических волн (УАВ), генерируемых при запусках космических аппаратов (КА) [2]. Суть способа заключается в следующем. По данным двухчастотных фазовых измерений приемников ГНСС получают временные ряды вариаций ПЭС. С помощью фильтрации полученных рядов выделяют отклик ПЭС на запуск КА. При этом за отклик принимают сигнал, превышающий уровень фоновых флуктуаций ПЭС. Далее по взаимному смещению откликов ПЭС на трех пространственно разнесенных приемниках ГНСС выполняют расчет скорости и направления перемещения УАВ. В силу того что отклики ПЭС на близко разнесенных приемниках ГНСС имеют подобную форму, в способе-прототипе не производят анализ формы отклика ПЭС, а только констатируют наличие импульса ПЭС, вызванного запуском КА. К недостаткам способа-прототипа относится то, что он не позволяет отличать аварийный запуск от безаварийного.
Целью изобретения является возможность обнаружения взрывных возмущений ионосферы во время аварийных запусков космических аппаратов по данным зондирования ионосферы сигналами ГНСС. В сравнении со способом-прототипом это достигается за счет того, что в предложенном способе производят анализ формы возмущений ПЭС, вызванных запуском КА.
1
2
1
2
1
2
1
2
Схема обнаружения отклика ионосферы на запуск КА с помощью сигналов ГНСС представлена на фиг. 1. Спутники ГНСС излучают непрерывные сигналы на двух несущих частотах f и f (для GPS f=1575.42 МГц и f=1227.60 МГц). С помощью двухчастотного приемника ГНСС регистрируют время распространения радиосигнала (кодовые измерения) и фазовые задержки L и L (фазовые измерения) навигационных сигналов на соответствующих несущих частотах для каждого луча "приемник ГНСС - спутник ГНСС". По значениям задержек L и L рассчитывают величину ПЭС для каждого луча:
1
1
2
2
1
2
1
2
16
-2
где Lλ, Lλ - приращения фазового пути радиосигнала, вызванные задержкой фазы в ионосфере; λ, λ - длины волн навигационных сигналов с частотами ƒ и ƒ соответственно; const - так называемая "неоднозначность фазовых измерений"; σ - ошибка измерения фазы. Фазовые измерения обеспечивают высокую точность регистрации вариаций ПЭС, хотя абсолютное значение ПЭС при этом остается неизвестным (неоднозначность фазовых измерений) [3, 4]. Общепринятой единицей измерения ПЭС является TECU (Total Electron Content Unit), равная 10 м.
max
max
max
max
max
Поскольку ПЭС является интегральной величиной, возникает неопределенность в его высотной локализации. В первом приближении принято считать, что ПЭС формируется в ионосферной точке (ИТ), т.е. точке пересечения луча "приемник ГНСС - спутник ГНСС" с тонким слоем на высоте h главного максимума ионосферы (фиг. 1) [3, 5]. Траектории ионосферных точек высоте hотражают перемещение спутников GPS. Величина h изменяется в достаточно широком диапазоне (250-400 км) в зависимости от условий (время суток, сезон, уровень геомагнитной активности и т.д.). Для привязки ПЭС значение h выбирают с учетом геофизических условий в каждом конкретном случае. Координаты ИТ рассчитывают для высоты h на основе навигационных данных, передваиваемых спутником ГНСС.
Для выделения возмущений, вызванных запуском КА, ряды вариаций ПЭС I(t) подвергают фильтрации методом скользящего среднего в диапазоне периодов 1-10 мин. Отфильтрованные вариации ПЭС dI(t) в день запуска сравнивают с поведением ПЭС в предыдущий день. За возмущение, вызванное запуском КА, принимают сигнал, превышающий уровень фоновых колебаний ПЭС и отсутствующий в контрольный предыдущий день (фиг. 2). Далее для станций, расположенных наиболее близко к траектории полета КА, производят анализ формы выделенного возмущения:
- одиночный импульс (один максимум, один минимум колебаний ПЭС) свидетельствует о прохождении УАВ, вызванной сверхзвуковым движением ракеты-носителя на разгонном участке траектории на высотах 100-130 км. Исследованиями ряда авторов [1-3] установлено, что при штатных (безаварийных) запусках независимо от типа ракеты-носителя, местного времени и сезона ионосферный отклик носит характер одиночного биполярного импульса, соответствующего классической форме ударной волны. Форма отклика отвечает профилю давления УАВ: положительный полупериод соответствует фазе сжатия, отрицательный - фазе разрежения;
- волновой пакет (несколько минимумов и максимумов с различной амплитудой в колебаниях ПЭС) свидетельствует о распространении акустико-гравитационных волн (АГВ) в атмосфере, вызванных взрывом. Возмущения подобной формы неоднократно наблюдались после наземных взрывов, землетрясений [1-3]. Как показали исследования, локализованный импульсный источник (взрыв, землетрясение) вызывает генерацию АГВ в атмосфере, которые затем регистрируются в виде перемещающихся волновых пакетов (ПВП) в ионосфере.
В качестве примера использования способа на фиг. 2 приведены возмущения ПЭС, зарегистрированные на ГНСС-станции KRTV после двух аварийных запусков КА с космодрома Байконур. Измерения станции KRTV, входящей в Международную геодинамическую сеть IGS, получены на сайте SOP АС [http://sopac.ucsd.edu]. По данным Госкорпорации "РОСКОСМОС" [http://www.roscosmos.ru/launch/2015/], 28 апреля и 16 мая 2015 г. с космодрома Байконур было выполнено два запуска КА, закончившихся нештатными ситуациями. 28 апреля в 10:09 по московскому времени (07:09 UT) произведен запуск ракеты-носителя (РН) "Союз-2.1А" с транспортным грузовым кораблем (ТГК) "Прогресс М-27М". На 527 секунде полета (т.е. в 07:18 UT) произошло нештатное разделение 3-й ступени РН и ТГК, в результате чего корабль и РН оказались на орбитах, параметры которых отличались от расчетных [www.roscosmos.ru/21481/]. 16 мая в 08:47 по московскому времени (05:48 UT) произведен запуск РН "Протон-М" со спутником "МекСат-1". На 497 секунде полета (т.е. в 05:56 UT) на высоте 161 км была зафиксирована нештатная работа двигателей третьей ступени РН. Третья ступень, разгонный блок и космический аппарат практически полностью сгорели в атмосфере [www.roscosmos.ru/21491/].
Форма и амплитуда возмущений ПЭС, вызванных запуском 28 апреля 2015 г. (фиг. 2а-б), близки к аналогичным параметрам, которые наблюдаюсь во время более чем 40 штатных запусков в 1998-2000 гг. с космодрома Байконур [2-3].
Форма возмущений ПЭС, вызванных запуском 16 мая 2015 г. (фиг. 2в-г), существенно отличалась от формы возмущений, наблюдавшихся 28 апреля 2015 г., а также от формы возмущений ПЭС, регистрировавшейся после исследованных штатных запусков в 1998-2000 гг. [3]. 16 мая 2015 г. возмущения ПЭС на станции KRTV имели форму волновых пакетов. Это свидетельствует о том, что в этот день воздействие запуска КА на ионосферу имело взрывной характер. Отметим, что в качестве контрольного дня для данного запуска выбрано 14 мая 2015 г., т.к. 15 мая отсутствуют данные измерений на станции KRTV.
Согласно информации Госкорпорации "РОСКОСМОС" [http://www.roscosmos.ru/launch/], в 2010-2014 гг. семь запусков РН с космодрома Байконур оказались неуспешными. В большинстве этих запусков из-за нештатных ситуаций КА были выведены не нерасчетные орбиты, т.е. характер запусков был неразрушающий и близок по параметрам к запуску 28 апреля 2015 г. Разрушение РН и КА зафиксировано во время двух запусков: 02 июля 2013 г. на 17 с полета произошло аварийное отключение двигателей и падение РН на территории космодрома [http://www.roscosmos.ru/19657/]; 16 мая 2014 г.зарегистрировано разрушение третьей ступени РН на высоте 160 км [http://www.roscosmos.ru/20584/]. Анализ вариаций ПЭС, как и следовало ожидать, не выявил возмущений, связанных с запуском 02 июля 2013 г., т.к. разрушение произошло на малой высоте вблизи стартовой площадки. После запуска 16 мая 2014 г. на ГНСС-станциях KRTV, NVSK в вариациях ПЭС обнаружены возмущения в виде волновых пакетов, свидетельствующие о взрывном характере воздействия запуска на ионосферу. Учитывая описанные выше нештатные запуски 2015 г., можно заключить, что из девяти неуспешных запусков с космодрома Байконур в 2010-2015 гг. два сопровождались разрушением РН и КА в верхней атмосфере. Для обоих запусков с помощью предложенного способа были выявлены ионосферные возмущения в виде ПВП. Аналогичные возмущения ПЭС были зарегистрированы также после двух запусков с космодрома Байконур 4 июля и 27 октября 1999 г., во время которых, по данным СМИ [http://www.newsru.com/russia/16oct2002/fire.html; https://ru.wikipedia.org/wiki], произошло возгорание РН на 4-5 мин полета.
Таким образом, приведенные примеры демонстрируют, что предложенный способ (изобретение) обеспечивает возможность обнаружения с помощью сигналов ГНСС взрывных возмущений ионосферы во время аварийных запусков космических аппаратов. Для реализации способа необходимо использовать данные непрерывного мониторинга ионосферы приемными станциями ГНСС в районах, прилегающих к месту запуска.
Список использованной литературы
1. Calais Е., Minster J.B. GPS detection of ionospheric perturbations following a Space Shuttle ascent // Geophys. Res. Let. 1996. V. 23. p. 1897-1900.
2. Afraimovich E.L., Kosogorov E.A., Perevalova N.P., Plotnicov A.V. The use of GPS-arrays in detecting shock-acoustic waves generated during rocket launchings // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2001. V. 63(18). p. 1941-1957.
3. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск: Изд-во ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, 2006. 480 с.
4. Hofmann-Wellenhof В., Lichtenegger Н., Collins J. Global Positioning System: Theory and Practice. New York: Springer-Verlag Wien., 1992. 327 p.
5. Куницын B.E., Терещенко Е.Д., Андреева E.C. Радиотомография ионосферы. М.: Физматлит, 2007. 336 с.