Пространственное разрешение широтных профилей вертикального электронного содержания

Черняков С.М. Пространственное разрешение широтных профилей...

Пространственное разрешение широтных профилей вертикального электронного содержания

С.М. Черняков

Биологический факультет МГТУ, кафедра биохимии Полярный геофизический институт

Аннотация. В работе рассмотрено влияние высоты пересчета полного электронного содержания в вертикальное электронное содержание (ВЭС) на точность определения положения областей неоднородностей электронной концентрации. Показано, что использование метода разнесенного приема сигналов навигационных спутников для получения значений ВЭС позволяет увеличить точность определения положения структур электронной концентрации в ионосфере, и дает более детальное описание этих структур по сравнению с описанием их в случае использования данных ВЭС в одной точке.

Abstract. The paper considers the influence of the height of recalculation of the total electron content to the vertical electron content (VEC) on the accuracy of determination of the regions of electron concentration irregularities. The method of spaced receiving of the navigation satellite signals allows to increase the accuracy of finding the electron concentration structures' position in the ionosphere and gives more detail description of these structures.

1. Введение

Одним из параметров, используемых для исследований свойств верхней атмосферы, является полное электронное содержание (ПЭС). Это интегральная величина, равная суммарному числу свободных электронов в столбе единичного сечения.

Запуск ИСЗ привел к появлению трансионосферных методов определения ПЭС. Сигнал, переданный бортовым передатчиком спутника, пройдя через ионосферу и испытав её воздействие, принимается на Земле. Электронная концентрация, проинтегрированная по лучу зрения со спутника на приёмник, даст ПЭС вдоль этого луча. Зная точное положение спутника в момент излучения сигнала и положение приёмного пункта, получают координаты любой точки линии зрения со спутника до приемного пункта. Это позволяет привязать в пространстве рассчитанное значение ПЭС.

Низкоорбитальные навигационные спутники, используемые для получения ПЭС (высота 1000 км, период обращения 105 минут, наклонение 83°), позволяют получать данные от полярной шапки до экватора. Пролёт такого спутника над станцией наблюдения в течение нескольких минут даёт квазистационарную пространственную картину распределения ПЭС в районе наблюдения. Это позволяет получать информацию о широтных вариациях электронного содержания, а непрерывный мониторинг даёт данные об изменении структур ионосферы.

2. Пространственное разрешение широтных профилей ВЭС по данным разнесённого приёма

Для получения ПЭС используют методы, основанные на различных физических принципах и аппаратуре. Из них можно выделить, как наиболее развитый в методическом и аппаратурном отношении, доплеровский метод радиопросвечивания с использованием спутниковых радиомаяков. Дальнейшее рассмотрение будет выполнено для низковысотных навигационных спутников, используемых для получения ПЭС.

На рис. 1 приведена схема расположения приемного пункта и условных положений спутника для нисходящей ветви траектории. Для Северного полушария это означает, что спутник движется с севера на юг. Буквой R обозначен приемный пункт, поверхность Земли - косой штриховкой. N и S - север и юг, соответственно, а линия NS (в нашем случае) - геомагнитный меридиан. Последовательные положения спутника на траектории обозначены через S1, S2, S3. Между спутником и поверхностью Земли двумя сплошными линиями выделена сферически-слоистая область, представляющая собой идеализированную однородную ионосферу.

Доплеровский метод основан на свойстве ионизированной среды влиять на фазу проходящего через нее сигнала. В результате расчета находят значение ПЭС, зависящее от разностной фазы Ф сигналов вдоль линии распространения волны. В таком виде ПЭС применяется для решения некоторых задач, но в большинстве случаев более удобной является величина, которую называют вертикальное

Вестник МГТУ, том 7, №1, 2004 г. стр.90-92

электронное содержание или ВЭС. Его определяют как ПЭС в вертикальном столбе единичного сечения. При обработке результатов вычислений выбирается некоторая высота Р, на которой расположен "центр тяжести" профиля электронной концентрации, построенного вдоль линии зрения, или высота, в области которой считается, что ионосфера даёт наибольший вклад в ПЭС вдоль луча зрения; обычно ее называют ионосферной высотой. В точке пересечения Р луча зрения с этой высотой (рис. 1) выполняется пересчёт ПЭС в ВЭС простым умножением на косинус угла / между вертикалью и лучом зрения со спутника на приёмник. Проекцию этой точки Р на Землю называют подионосферной точкой.

Для перевода ПЭС в вертикальное электронное содержание, как уже отмечалось, различные авторы используют различные ионосферные высоты. В реальных условиях высота "центра тяжести" наклонного профиля электронной концентрации вдоль луча зрения может меняться и, тем самым, отклоняться от выбранной ионосферной высоты. Таким образом, мы имеем, во-первых, случайный разброс высоты и, во-вторых, систематический сдвиг, обусловленный выбором ионосферной высоты.

Рассмотрим сдвиги по широте положения профиля ВЭС, возникающие из-за различных высот выбранной ионосферной точки. Вернемся к рис. 1. Луч зрения от спутника до приемной точки в момент 83 проходит через ионосферу в точках А и В. Пусть точка А расположена на высоте йа, а В - на Н1. Тогда проекции этих точек на землю будут различны, и появляется широтный сдвиг, равный Л. Видно, что при удалении от зенита абсолютная величина Л растет.

Оценим величину Л для зенитного нисходящего пролета навигационного спутника для приемных пунктов в пос. Верхнетуломский, пос. Лехта и г. Москва (это одна из возможных ситуаций при наблюдениях (Черняков и др., 1992)). На рис. 2 показаны абсолютные значения широтных сдвигов ионосферной точки для высот 350 км (кривая 1), 400 км (кривая 2) и 450 км (кривая 3) относительно высоты 300 км для этих выбранных пунктов. По оси абсцисс нанесены географические широты, буквами В, Л, М отмечены положения приемных пунктов. По оси ординат отложены абсолютные значения относительного широтного сдвига подионосферных точек.

Видно, что увеличение высоты ионосферной точки на 50 км приводит к сдвигу в положении профиля ВЭС на 0.5° при расстояниях больших 3° по широте от приемной станции. Сдвиг в 1° получаем на расстоянии 8° по широте. При большей разнице в высотах сдвиг увеличивается. Используя рисунок, можно перевести результаты проведенного расчета положения профиля ВЭС для выбранной высоты в положение профиля для любой другой высоты. Для этого находится относительный сдвиг для выбранных высот, знак определяется исходя из геометрии пролета. Таким образом, можно выполнить коррекцию положения структур ВЭС в случае, если предполагается, что выбранная высота ионосферной точки не соответствует реальной, а также провести сравнение положения широтных профилей ВЭС, находимых по разным методикам и для разных высот ионосферной точки.

Применение разнесенного приема позволяет уменьшить вероятную ошибку, обусловленную выбором высоты ионосферной точки. При ошибке в выборе высоты ионосферной точки на 50 км для данной геометрии эксперимента максимальная ошибка положения профиля ВЭС будет около 0.3° по широте для приемных пунктов В-Л, а для большей базы Л-М она не превысит 0.6°. В одноточечном же методе ошибка в определении высоты дает увеличение широтного сдвига при удалении от приемной станции, а, следовательно, увеличение ошибки определения положения структур ВЭС. При разнесенном приеме можно, выбирая высотные профили ВЭС в районах наблюдения приемных пунктов и "сшивая" их, получить профиль, ошибка которого в определении положения и вида структур будет меньше, чем при одноточечном приеме на тех же высотах. Зная широтные сдвиги в положении структур профиля, можно оценить возможные ошибки, вызванные выбором высоты ионосферной точки для приемных пунктов, использованных в наблюдениях, либо рассчитать положение приемных пунктов, дающее приемлемую ошибку.

70 ф, град

Черняков С.М. Пространственное разрешение широтных профилей...

Рис. 1. Геометрия расположения Рис. 2. Абсолютные значения широтных сдвигов

приемных точек и спутников подионосферной точки

При удалении спутника от зенита приёмной станции луч зрения на спутник будет пересекать всё большее расстояние по ионосфере (рис. 1). Это приводит к увеличению значения ПЭС. Неоднородности одинакового размера и величины на фоне увеличивающегося ПЭС становятся относительно слабее, что и даёт эффект сглаживания кривой. Это хорошо видно при сравнении двух профилей одного пролёта спутника с разных приёмных пунктов (рис. 3).

Рис. 3. Пример широтных профилей ВЭС, полученных для одного пролета спутника в разных точках наблюдения: сплошная линия - пос. Верхнетуломский, точки - г. Кемь

Каждая станция (они обозначены буквами К и В) в своем районе наблюдения показывает наличие развитых структур, края же этих кривых у каждой станции сглажены. Как правило, такие области структур ВЭС имеют размеры не более нескольких градусов от широты станции. Использование разнесенного приема позволяет, располагая приемные пункты на расстоянии не более 5-6°, преодолеть этот недостаток и получать широтный профиль ВЭС, пригодный для более детального геофизического анализа в любом широтном диапазоне.

3. Заключение

Полное электронное содержание является параметром, характеризующим состояние ионосферы. Методы получения значений ПЭС основаны, как правило, на приёме информации в одном пункте. В силу различных причин они обладают невысокой точностью получения величин ПЭС и относительно малой разрешающей способностью. Использование дополнительного независимого измерения повышает надежность получаемых результатов. Реализация разнесённого приёма сигналов, позволяющего проводить независимые доплеровские измерения в любых выбранных пунктах, даёт возможность получать более надёжные значения ПЭС с необходимым пространственным разрешением. Наличие большого количества навигационных спутников позволяет планировать наблюдения как в "автономном" режиме, так и с привлечением других геофизических средств наблюдений в целях комплексного изучения околоземного пространства.

Литература

Черняков С.М., Терещенко Е.Д., Куницын В.Е., Брюнелли Б.Е. Полное электронное содержание в авроральной и субавроральной ионосфере по данным радиопросвечивания навигационных ИСЗ. Геомагнетизм и аэрономия, т.32, № 4, с.94-99, 1992.