СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ АВРОРАЛЬНОГО ОВАЛА И СОСТОЯНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ Российский патент 2016 года по МПК G01V3/00 

Изобретение относится к геофизике и может использоваться в системе мониторинга окружающей среды, контроля космического пространства, в расчетах радиотрасс.

Авроральный овал определяется как область ионосферы, являющаяся проекцией плазменного слоя и каспа вдоль силовых линий геомагнитного поля, где наиболее часто наблюдаются полярные сияния (ГОСТ 25645.109-84 Магнитосфера Земли. Термины и определения). Положение аврорального овала соответствует проекции авроральной магнитосферы на границу атмосферы и проявляется в зоне активных полярных сияний [1, 2] и токовых струй (электроджетов). Авроральный овал ограничивает область высокоширотной ионосферы, которая называется полярной шапкой.

Положение аврорального овала определяется по данным регистрации полярных сияний, в том числе с космических аппаратов, по данным о высыпаниях энергичных частиц (электронов и протонов), по данным о каспах на дневной стороне и в хвосте магнитосферы, по данным магнитометрической сети, по данным зондирования ионосферы ионозондами и радарами. С развитием Глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) появилась возможность диагностировать на просвет высокоширотную ионосферу, положение аврорального овала и состояние магнитного поля Земли по сигналам навигационных космических аппаратов (НКА) и геостационарных КА (ГКА). Для этого приемные устройства сигналов НКА должны располагаться в зонах полярных шапок Земли.

Из уровня техники известен «Способ зондирования ионосферы, тропосферы, геодвижений и комплекс для его реализации» (см. патент Российской Федерации №2502080 на изобретение, опубл. 20.12.2013), заключающийся в приеме и анализе характеристик сигналов ГНСС, геостационарных космических аппаратов (ГКА) для зондирования ионосферы и тропосферы [3]. Рассматриваемый как аналог, способ позволяет обеспечить мониторинг ионосферы и тропосферы практически в режиме реального времени, получать информацию о возмущениях, происходящих в ионосфере. Однако способ не предназначен для диагностики зоны аврорального овала положения магнитного полюса Земли.

Известен ряд способов зондирования ионосферных возмущений по сигналам ГНСС:

- «Способ обнаружения ионосферного возмущения и определения местоположения его источника» (см. патент Российской Федерации №2189051 на изобретение, опубл. 10.09.2002);

- «Способ обнаружения, измерения фазовой скорости и направления прихода ионосферного возмущения» (см. патент Российской Федерации №2189052 на изобретение, опубл. 10.09.2002);

- «Способ обнаружения, измерения фазовой скорости и направления прихода ионосферного возмущения» (см. патент Российской Федерации №2379709 на изобретение, опубл. 20.01.2010).

Способы предназначены для зондирования перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ), но не положения аврорального овала, магнитной активности и магнитного полюса Земли. Расположение приемников сигналов КА ГНСС предлагается ниже широты аврорального овала, в том числе из-за того, что овал рассматривался в качестве источника ПИВ, а также баллистического построения группировки НКА ГНСС обычно до широт аврорального овала, который не является объектом зондирования.

Основной особенностью известных из уровня техники технических решений является использование навигационных приемников для зондирования ионосферных задержек. Используются многочастотные определения ионосферных задержек, например [4]. Заявляется использование рассчитанных данных о полном электронном содержании (ПЭС) в ионосфере Земли, а, фактически, из-за использования дифференциального метода и отсутствия калибровки, используется, за исключением алгоритмов в [3, 4], только часть ПЭС без учета инструментальных и аппаратных ошибок, эффектов тропосферной рефракции.

В указанных способах используется сеть навигационных приемников, не предусмотрена диагностика границ аврорального овала, состояния магнитного поля Земли, в том числе из-за особенностей прохождения радиоволн на рабочих частотах ГНСС в зоне аврорального овала.

Учет зоны аврорального овала упоминается в заявке от 07.11.2011 г. №2011145217/07 «Способ определения местоположения объекта». Заявка относится к области радионавигации с использованием радиоволн для определения местоположения объекта в условиях высоких широт. При наличии полярных сияний предлагается прием радиосигналов от нескольких НКА, их обработка, выбор оптимального рабочего созвездия НКА, вычисление пространственных координат объекта с видеонаблюдением за полярными сияниями. При этом в расчетах осуществляется выбраковка НКА с траекториями трасс, которые проходят через область полярных сияний. Достигаемый технический результат - повышение точности определения местоположения объекта. Диагностика положения зоны аврорального овала не предусмотрена, как и состояния магнитного поля Земли.

В [5-8] для зондирования вертикальных разрезов ионосферы предлагается использовать цепочки приемных пунктов, расположенных в меридиональном направлении. Верификация полученных при этом экспериментальных результатов затруднительна. Созданные в [5-7] алгоритмы не доступны. Фактически используется схема [3]. Диагностика аврорального овала возможна, но требуется схема расположения пунктов зондирования в полярной шапке и по меридиану. Не предусмотрена диагностика состояния магнитного поля Земли.

В [9] в по данным обработки многолетних наземных наблюдений за положением полярных сияний создана аналитическая модель климатических границ аврорального овала с погрешностью расчета характерных границ аврорального овала (приполюсной границы, экваториальной и границы диффузного свечения) порядка двух градусов широты. В оперативных измерениях погрешность существенно выше. В модели не предусмотрена детализация морфологии аврорального овала, требуется задание AL-индекса магнитной активности, который рассчитывается по данным наблюдений за состоянием магнитного поля Земли на сети магнитометрических обсерваторий и не может быть получен в режиме реального времени [10-12].

Исходя из этого, для оперативного мониторинга аврорального овала и состояния магнитного поля Земли предлагается схема приема с станции, судна, самолета, КА и др. синхронизированных по времени и закодированных сигналов КА, например навигационных систем, геостационарных КА (ГКА). Приемные устройства должны располагаться в зоне аврорального овала и полярной шапки (Арктики и/или Антарктики). По результатам зондирования высокоширотной ионосферы предлагается восстанавливать (рассчитывать) распределение ПЭС в зоне видимости приемных устройств сигналов НКА, а также ПЭС и вертикальные профили концентрации заряженных частиц по отрезкам траекторий НКА. На основе известных морфологических признаков аврорального овала [2]: зона повышенных ПЭС в высокоширотной ионосфере со слабо спадающей по высоте концентрацией заряженных частиц, особенности распространения радиосигналов радаров - возможна диагностика признаков наличия и положения аврорального овала. Путем сравнения результатов зондирования положения аврорального овала и его климатического положения с задаваемыми оценками магнитной активности подбирается наилучшее приближение состояния магнитного поля Земли на время зондирования аврорального овала. По длительным рядам наблюдений возможен расчет изменений состояния магнитного поля. Для уточнения полученных результатов полезны данные доступных наблюдений, в том числе данных ПЭС с сети приемников сигналов ГНСС в приавроральной зоне.

Целью заявленного изобретения является определение положения аврорального овала по характерным пространственно-временным искажениям пересекающих авроральный овал и принимаемых в полярной шапке и в зоне аврорального овала синхронизированных по времени и закодированных сигналов космических и в основном космических навигационных систем, расчет состояния магнитного поля Земли.

Физической основой эффектов, предлагаемых для регистрации в заявленном способе, является проявление в характеристиках распространения сигналов НКА повышенной плотности ионосферы в области аврорального овала, а также связь положения аврорального овала с магнитным полем Земли.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение оперативности, точности и надежности мониторинга зон аврорального овала, магнитной активности по зондируемым и рассчитываемым характеристикам высокоширотной ионосферы на основе приема синхронизированных по времени и закодированных сигналов КА, в основном ГНСС, создание адаптируемых моделей аврорального овала полярной ионосферы, состояния магнитного поля Земли.

Технический результат достигается приемом не менее чем с одного приемного устройства в зоне Арктики и/или Антарктики синхронизированных по времени сигналов КА, раскодированием принятых сигналов, расчетом поля ПЭС в зоне видимости приемных устройств и распределения ПЭС, и вертикальных профилей концентрации заряженных частиц вдоль траекторий КА, калибровкой расчетов ПЭС по каждому КА в соответствии с [3] или с использованием климатических моделей ионосферы. По положению экстремальной зоны в широтном распределении ПЭС определяется наличие и положение экваториальной границы аврорального овала, диагностируется наличие приполюсной границы аврорального овала по наличию зоны локальных минимумов ПЭС выше широты экваториальной границы аврорального овала. С помощью последовательных приближений соответствия широт климатического и выявленного положений аврорального овала подбирается оценка возмущенности (активности) магнитного поля Земли. До накопления статистических данных для климатической модели аврорального овала используется модель [9]. В дальнейшем на основе длительных рядов наблюдений формируется адаптируемая модель аврорального овала, по которой диагностируется состояние магнитного поля Земли, а при наличии многолетних наблюдений возможна диагностика вековых изменений положения и смещений магнитных полюсов Земли. Для уточнения положения границ аврорального овала могут использоваться карты распределения ПЭС по сети приемников сигналов ГНСС в авроральной и приавроральной зонах, рассчитанные профили заряженных частиц, данные зондирования высокоширотной ионосферы радарами и другими средствами наблюдений, а также архивы данных зондирования ионосферы, полярных сияний и магнитного поля Земли.

Разработанные алгоритмы обработки принимаемых сигналов и информации для диагностики положения аврорального овала, оценок состояния магнитного поля Земли реализованы на базе процессора ПЭВМ с устройством отображения информации, которое скоммутировано через контроллеры и каналы связи с навигационными приемниками сигналов КА, электронными архивами гелиогеофизических и метеорологических данных. Данные зондирования могут обрабатываться как в пункте зондирования, так и, учитывая климатические условия Арктики и Антарктики, в удаленном центре обработки данных.

Расчет положения аврорального овала заключается в следующем:

- устанавливается выше 65 градусов магнитной широты (в зоне полярной шапки Арктики и/или Антарктики) приемник или сеть приемных устройств синхронизированных по времени и закодированных сигналов КА;

- принимают не менее одним приемным устройством синхронизированные по времени кодированные электромагнитные сигналы от группировки КА на нескольких частотах;

- раскодируют принятые приемовычислителями приемных устройств с установленной периодичностью сигналы КА;

- передают через контроллеры и каналы связи принятые данные о характеристиках сигналов КА в центр обработки с ПЭВМ оператора на базе процессора с устройством отображения информации, где:

- рассчитывают в каждый установленный для измерений момент времени расстояние каждого КА от каждого приемного устройства по их орбитальному (баллистическому) построению и по времени прохождения кодовых меток электромагнитных сигналов;

- рассчитывают оценки позиционирования (координаты) каждого приемного устройства по данным об орбитальном положении КА методами триангуляции;

- по данным об орбитальном положении КА рассчитывают проекции траекторий КА на поверхность Земли в географических и магнитных координатах и траектории их подионосферных точек относительно приемных устройств;

- рассчитывают с учетом данных о климатических границах аврорального овала перечень КА для зондирования аврорального овала;

- рассчитывают тропосферную задержку по фактическим метеорологическим данным в зоне расположения приемных устройств;

- по разности времени прихода установленных меток в кодовой последовательности принятых сигналов КА относительно их распространения в идеальной среде в каждый момент измерений рассчитывают в каждой подионосферной точке ионосферную задержку;

- рассчитывают ПЭС в каждой подионосферной точке траектории КА по разности ионосферных задержек сигналов КА или псевдодальностей КА на используемых рабочих частотах излучения сигналов с учетом тропосферной задержки;

- калибруют полученные результаты по климатической модели ионосферы и наблюдаемым гелиогеофизическим условиям;

- рассчитывают вертикальные профили содержания заряженных частиц по наблюдениям принятых сигналов КА на основе решения обратной задачи с первичным приближением профиля на основе климатической модели ионосферы и привязкой к середине траекторного отрезка подионосферных точек КА, продолжительность которого использована для расчета вертикального профиля;

- рассчитывают карты ПЭС в зоне видимости КА с приемного устройства (с приемных устройств) интерполяцией в узлы регулярной сетки магнитных координат значений ПЭС вдоль траекторий КА в зоне видимости каждого приемного устройства, выделяя траектории КА вблизи (±10 градусов) магнитного меридиана приемных устройств;

- определяют наличие экстремальных значений ПЭС на картах ПЭС или вдоль траекторий КА вблизи магнитного меридиана приемных устройств;

- присваивают экваториальную границу аврорального овала широте положения центра зоны экстремальных значений ПЭС на картах ПЭС или центру отрезка положения экстремальных значений ПЭС вдоль траекторий КА вблизи магнитного меридиана приемных устройств;

- диагностируют выше экваториальной границы аврорального овала наличие локальных минимумов ПЭС, положение которых принимается в качестве приполюсной границы аврорального овала;

- уточняют положение границ аврорального овала по доступным данным зондирования ионосферы в приавроральной зоне, наблюдениям полярных сияний, с КА, радаров, по результатам зондирования вертикальных профилей концентрации заряженных частиц в ионосфере и адаптируемым моделям аврорального овала;

- формируют адаптивные модели аврорального овала, полярной ионосферы на основе длительных рядов наблюдений.

Расчет состояния магнитного поля Земли заключается в подборе методом последовательных приближений индексов магнитной активности, которые позволяют достичь наибольшего соответствия (по минимуму среднеквадратического отклонения) рассчитанных климатических границ аврорального овала и границ аврорального овала, полученных для каждого цикла зондирования.

Зафиксированное на достаточно протяженном (годы) временном отрезке наблюдений по сети приемников отклонение границ овала от климатических границ принимается как следствие изменений состояния магнитного поля Земли. По климатической адаптируемой модели магнитного поля Земли рассчитывают эти изменения, а по многолетним данным наблюдений медленные смещения положения магнитных полюсов Земли и их прогнозное положение.

Архивы результатов мониторинга высокоширотной ионосферы используются для коррекции адаптивных моделей аврорального овала, полярной ионосферы и состояния магнитного поля Земли с индексами магнитной активности.

Для определения координат приемного устройства можно использовать результаты, получаемые на выходе приемовычислителя навигационного приемника в системах координат WGS-84, ПЗ-90. Данные представляются в геодезической проекции с текущими отсчетами времени. В приемном устройстве может быть предусмотрено накопление данных и передача их через контроллер для обработки по выделенным линиям связи на процессор.

При отключенной опции местоопределения в настройках навигационного приемника производится расчет псевдопозиционирования приемника по данным об измерении псевдодальностей и разности фаз сигналов видимой с приемного устройства группировки КА на одной или нескольких частотах в соответствии с [13, 14], фактически методом наименьших квадратов при достижении минимальных различий последовательности расчетных приближений псевдокоординат [4, 14].

Аналогом приемного устройства синхронизированных по времени и закодированных сигналов КА является приемник сигналов НКА, который обычно настроен на прием основных рабочих частот навигационных систем и обеспечивается питанием от сети или автономного источника электроэнергии. Радиосигналы с НКА представляют собой промодулированную кодом несущую частоту и эфемеридную информацию. Сигналы с НКА принимаются через антенные устройства, усиливаются, фильтруются и поступают на электронную плату навигационного приемника, где приемовычислителями усиливаются, фильтруются и преобразуются в цифровой код. Характеристики навигационных сигналов на выходе навигационного приемника представляются в бинарной форме и/или в стандартном формате RINEX. По получаемым через контроллер данным с выхода приемника может производиться расчет характеристик ионосферы в зоне видимости НКА и по траектории видимых приемником НКА.

Для дешифрирования принимаемых навигационным приемником сигналов НКА, конвертации в установленный формат и расчета оценок ошибок навигационных измерений, обусловленных влиянием ионосферы и тропосферы, используется внутренний приемовычислитель приемного устройства и процессор, скоммутированный через контроллер с каналами связи и приемными устройствами.

По данным зондирования ионосферы по сигналам НКА рассчитываются вертикальные профили распределения заряженных частиц в ионосфере в соответствии с алгоритмами в [3, 15] на основе решения уравнения Фредгольма 1-го рода. В зоне аврорального не наблюдается существенного уменьшения концентрации заряженных частиц по высоте [2], в отличие от вертикальных профилей заряженных частиц в среднеширотной ионосфере.

Для уточнения (верификации) положения аврорального овала используется сравнение (при наличии) с результатами других наблюдений аврорального овала и по источникам проверяемой информации.

В качестве примера реализации заявленного способа диагностики положения аврорального овала предлагаются результаты эксперимента по зондированию высокоширотной ионосферы по сигналам КА ГНСС ГЛОНАСС/GPS в 2014 г., полученным в ходе экспедиций Арктического плавучего университета (АПУ) Северного (Арктического) федерального университета на научно-исследовательском судне (НИС) «Профессор Молчанов». В экспедициях использовался ускоренный расчет положения аврорального овала по траекториям НКА вблизи магнитного меридиана навигационного приемника.

На правом борту НИС была закреплена антенна геодезического навигационного приемника «Trimle 5700», подключенная через антенный кабель к приемовычислителю приемника, установленного в каюте для участников экспедиции.

Расшифрованный маршрут судна по предлагаемому способу зондирования аврорального овала на основе приема сигналов видимой каждую секунду группировки НКА (в связи с отключенной в настройках приемовычислителя опцией определения координат) и метода наименьших квадратов для рассчитанных псевдодальностей КА на первой рабочей частоте ГНСС представлен на фиг. 1.

В расчетах использовались все видимые НКА под углом более 10 градусов над горизонтом. Часть маршрута для 3.08.2014 г. приведена на правом фрагменте фиг. 1. Рассчитанный маршрут соответствует заявленному маршруту и результатам опроса участников экспедиции АПУ.

На левом фрагменте фиг. 1 нанесены дуги, рассчитанные по модели границ аврорального овала [9] на 03.08.2014 г. при спокойных магнитных условиях с заниженным AL-индексом, который предстоит определить. Зеленая линия - граница диффузного свечения, красная линия - экваториальная граница аврорального овала, синяя линия - приполюсная граница аврорального овала. Затемнение части рисунка проходит по границе день-ночь. Над Гренландией отмечено положение магнитного полюса Земли в 1987 г.

Предварительные расчеты и эксперименты 2011 г. вдоль Северного морского пути, а также в 2013 г. в рамках проекта АПУ подтвердили достаточную наблюдаемость НКА ГНСС в северных морях России и вдоль арктического побережья России, ограничиваемую лишь баллистическим построением НКА ГНСС и вводимым ограничением по углу наклона видимых НКА над горизонтом. Последнее условие обычно обусловлено попыткой уменьшить влияние тропосферной ошибки на сигналы КА ГНСС.

Полученная в расчетах зона видимости НКА ГНСС для приемника на судне в северных морях России имела протяженность по широте до 40 градусов, а по меридиану до 25 градусов. При приближении приемника к полюсу, что выгодно для предлагаемой схемы зондирования аврорального овала, растут помехи принимаемых сигналов НКА.

При зондировании ионосферы по сигналам НКА анализировалась обусловленная не идеальностью среды распространения радиоволн ионосферная задержка принимаемых сигналов. В расчетах учитывались также аппаратные и инструментальные ошибки приемной и передающей аппаратуры, рассчитанные при калибровке результатов измерений по модели IRI-2011 на этапе подготовки к экспедициям и экспериментам.

Для обработки полученных с приемника RINEX-файлов в программно-аппаратный комплекс [4] был введен блок расчета магнитных координат.

Объем суточного файла наблюдений составлял более миллиона строк по 70-80 цифр в каждой. Для расчета тропосферной ошибки использовались метеоданные, фиксируемые штурманской службой НИС и участниками экспедиции.

С помощью усовершенствованных алгоритмов [4] по данным RINEX-файлов, получаемых с навигационного приемника на судне, рассчитывались положение треков НКА и их подионосферных точек. Среди них отбирались треки, которые проходили вблизи меридиана НИС. Опыт обработки данных зондирования полярной ионосферы и аврорального овала показал, что удаленные от меридиана треки сильно зашумлены, в том числе из-за тропосферной рефракции сигналов НКА. Вдоль отобранных треков анализировались широтные градиенты изменения ионосферной задержки сигналов НКА GPS.

Пример широтного изменения полного содержания электронов (ПЭС) под нисходящим ночным треком НКА G10 показан на фиг.2.

Середина отрезка повышенных значений ПЭС на широтах 69,5-67,5 градусов принимается в качестве положения экваториальной границы аврорального овала в полночь по московскому времени для магнитного меридиана, на котором находится приемник. Соответствующие оценки положения магнитного полюса Земли соответствуют решениям аналитической модели [9]. Для пересчета магнитных координат в географические могут быть использованы таблицы Приложения к ГОСТ 25645.146-89, реализованные в виде программы интерполяции на ПЭВМ.

На фиг. 3 представлено изменение ПЭС по широте для вечернего нисходящего трека НКА G10 с 19-00 до 22-21 московского времени с осреднением оценок ПЭС по предыдущим 5 минутам.

В распределении ПЭС выше экваториальной границы аврорального овала проявляется его приполюсная граница, а на широте примерно 62 градуса положение главного ионосферного провала, характерного для средних широт.

Аномальное увеличение ПЭС на широтах 69-67 градусов может быть обусловлено существованием ионосферной токовой струи [2]. Разница в положении градиентов ПЭС с фиг.2 могла быть обусловлена полуночным (на запад от НИС, фиг. 2) и предутренним (над НИС, фиг. 3) треками НКА.

Ширина и положение аврорального овала зависит от времени суток. Количество НКА, по траекториям которых можно диагностировать положение аврорального овала с одного пункта наблюдений в полярной шапке Российской арктической зоны составляло 10-15% от орбитальной группировки НКА ГНСС. Этого достаточно для получения оценок положения аврорального овала не менее одного раза в три-четыре часа. Качество мониторинга положения аврорального овала и состояния магнитного поля Земли повышается при наличии нескольких приемников в зоне (зонах) полярной шапки и аврорального овала. Проявление аврорального овала улучшается при использовании восстановленных за 3-4 часа наблюдений карт ПЭС.

В ряде случаев зондируемое широтное распределение ПЭС в зоне аврорального овала имело двухмодовый характер, что характерно для ночных условий (фиг. 2). Отмечена сложная морфология распределения ионосферной задержки над магнитным полюсом (часто пониженное ПЭС), в зоне каспа, в разрыве Харанга [2].

В зоне аврорального овала существенно возрастал поток сбоев выдачи данных на выходе навигационного приемника. Затухание принимаемых сигналов на вторых рабочих частотах ГНСС увеличивалось на порядок. В восстановленных вертикальных профилях заряженных частиц проявлялись характерные особенности аврорального овала [2].

Возникновение сбоев и отказов навигационной аппаратуры частично обусловливалось с установкой антенны у борта судна и экранированием сигналов НКА надстройками судна. Этим частично были объяснены случаи отсутствия эффектов проявления экваториальной границы аврорального овала, особенно на восходящих треках НКА, замаскированной в полуденные часы на фоне максимумов среднеширотной ионосферы.

Кроме этого, за счет переотражений сигналов НКА на мелкомасштабных неоднородностях ионосферной плазмы в зоне аврорального овала псевдодальности до НКА на вторых рабочих частотах в зоне аврорального овала оказывались больше псевдодальностей по первым рабочим частотам. В средних широтах обычно наоборот. Это обусловило корректировку некоторых алгоритмов из [3].

Корректировка заключалась в использовании модуля для разности псевдодальностей НКА преимущественно по фазовым измерениям (менее зашумлены) на рабочих частотах ГНСС (f₁ и f₂) при расчетах ионосферных задержек (формула 5 в [3]). Псевдодальности рассчитываются приемовычислителями синхронизированных по времени и закодированных сигналов КА.

По широтным разрезам рассчитанных относительных значений ПЭС можно проводить первичную диагностику аврорального овала с неоткалиброванных приемников. Положение аврорального овала проявляется и в широтном градиенте ионосферной задержки принимаемых сигналов НКА, проходящих вблизи от маршрута судна.

Возможно использование дополнительных частот принимаемых сигналов КА для диагностики аврорального овала, как в [3].

Геомагнитная обстановка во время экспериментов была спокойной. Kp-индекс по данным [16] для 3.08.2014 г. оценивался 1+. Солнечная активность низкая. Рассчитанные путем подбора соответствия климатических и расчетных границ аврорального овала значения AL-индекса по фиг. 4 по порядку значений соответствовали японским данным [12]. На начальном этапе этого достаточно. Полного совпадения быть не может, так как данные [12] обобщают наблюдаемые магнитные условия по сети магнитных обсерваторий. То есть с другим масштабом осреднения и ограниченным доступом к Российским данным магнитометрии [11].

Расшифровка формата представления данных [12] приведена в [17]. При наличии рядов наблюдений осуществима процедура валидации расчета AL-индекса.

По моделям состояния магнитного поля рассчитываются индексы магнитной активности [11], а по многолетним наблюдениям положение магнитных полюсов Земли. В качестве первого приближения положения магнитных полюсов Земли по данным зондирования аврорального овала могут быть использованы данные из климатической модели аврорального овала [9], в которой использованы данные наблюдений полярных сияний, магнитных обсерваторий и расчеты положения магнитного полюса Земли на 1987 г. [18]. К настоящему времени смещение полюса от его положения 1987 г. составило около 2 градусов [18].

Модель [9] необходимо постоянно уточнять. Этого не делается. Поэтому в способе предусмотрено создание адаптированных моделей аврорального овала.

Дальнейшая верификация полученных результатов и валидация способа зондирования аврорального овала и состояния магнитного полюса Земли предусматривает накопление рядов наблюдений за положением аврорального овала.

Структурная схема комплекса, реализующего предлагаемый способ, состоит из следующих скоммутированных основных элементов (фиг. 5):

1 - Группировка КА;

2 - Сеть скоммутированных приемовычислительных устройств синхронизированных по времени и закодированных сигналов КА;

3 - АРМ с ПЭВМ на базе процессора с устройством отображения информации;

4 - Блок исходных данных, архивов, результатов зондирования, адаптируемых моделей.

Программное обеспечение для реализации заявленных функций комплекса выполнено на основе процессора для OC Windows и Unix-подобных систем, серверных приложений и коммуникационной сети на основе Интернет-связи, оптоволоконной связи, линий радиосвязи.

В комплексе предусмотрена реализация процедур, представленных на фиг. 6.

Взаимное расположение элементов комплекса должно обеспечивать прием и дешифрирование сигналов НКА с минимизацией техногенных помех, экранировки приемных антенн и может быть реализовано в подвижном или в стационарном варианте. Форма выполнения элементов или устройства в целом определяются доступной элементной базой, имеющимися ресурсами, требованиями потребителей.

Сложностью реализации технологии зондирования положения аврорального по сигналам НКА является процедура валидации реализованных методик. Для этого предусмотрено создание адаптируемых моделей аврорального овала, полярной ионосферы и тропосферы, состояния магнитного поля Земли, в том числе с индексами магнитной активности.

Расчет поля ПЭС, по которому диагностируется положение аврорального овала, обычно производится на основе предположения об ионосфере как тонком слое [3-8]. Его высота один из параметров валидации предложенного способа.

Выбор треков НКА для зондирования аврорального овала после первого цикла расчетов упрощается из-за небольшого смещения траекторий НКА через почти каждые 12 часов с задержкой на одну-две минуты. То есть, после первого расчета и выбора треков для зондирования овала с квазистационарного навигационного приемника, через 12 часов можно использовать выбранные треки видимых НКА. Это существенно ускоряет время расчетов.

С учетом смещений приемного устройства и по результатам анализа широтных профилей ПЭС производится фильтрация и коррекция используемого набора треков.

Положение диффузионной границы аврорального овала рассчитывается по климатической модели аврорального овала (на первых этапах до накопления статистического материала используется модель [9]). При этом используются подобранные значения AL-индекса для климатической модели аврорального овала по данным зондирования границы экваториальной границы аврорального овала.

При наличии других данных, в том числе радиотомографических разрезов ионосферы по меридиональной цепочке пунктов приема сигналов ГНСС [3], по данным ПЭС с сети наблюдений в приавроральной зоне и т.д. уточняется положение аврорального овала и состояние магнитного поля Земли.

Преимущество заявленного способа зондирования аврорального овала и состояния магнитного поля Земли обусловлено активным развитием сети навигационных приемников, доступностью и дешевизной получения с них результатов наблюдений за характеристиками сигналов навигационных КА, совершенствованием технологических решений по диагностике аврорального овала, простотой схемы зондирования, оперативной оценкой положения аврорального овала и состояния магнитного поля Земли.

Литература

1. Хорошева О.В. Пространственно-временное распределение полярных сияний / Результаты исследований по международным геофизическим проектам, №16. - М: Наука, 1967.

2. Старков Г.В. Планетарная динамика аврорального свечения / Физика околоземного космического пространства. - Апатиты: ПГИ, 2000.

3. Тертышников А.В., Пулинец С.А. Способ зондирования ионосферы, тропосферы, геодвижений и комплекс для его реализации / Патент, заявка №2011128236 от 07.07.2011 на получение патента РФ на изобретение. Бюллетень Изобретения. 2013 №4. Решение о выдаче патента РФ на изобретение от 01.02.2013.

4. Глухов Я.В. Программа расчета относительных значений полного электронного содержания по характеристикам ГНСС ГЛОНАСС/GPS/Galileo. - Свидетельство государственной регистрации программы для ЭВМ №2013619293, ФИПС, 01.10.2013.

5. Романов А.А., Романов А.А., Трусов С.В., Урличич Ю.М. Спутниковая радиотомография ионосферы. - М.: Физматлит, 2013. 295 с.

6. Яковлев О.И., Павельев А.Г., Матюгов С.С. Спутниковый мониторинг Земли: Радиозатменный мониторинг атмосферы и ионосферы. - М.: Либроком, 2009.

7. Куницын В.Е., Терещенко Е.Д. Томография ионосферы. - М.: Наука, 1991.

8. Тертышников А.В., Большаков В.О. Технология мониторинга ионосферы с помощью приемника сигналов навигационных КА GPS/ГЛОНАСС (GALILEO) // Информация и космос. 2010. Т. 1. С. 100-105.

9. Старков Г.В. Математическое описание границ аврорального свечения // Геомагнетизм и аэрономия, 1994, т. 34, №3. С. 80-86.

10. Тертышников А.В. Возможные коррективы критериев опасных гелиогеофизических явлений / http://elibrary.ru/item.asp?id=21273666.

11. Тертышников А.В., Лапшин В.Б., Сыроешкин А.В. и др. Магнитные индексы. Учебное пособие. - Москва-Обнинск, 2013. 178 с.

12. http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp///dstae///wwwtmp/WWW_dstae00032678.dat.

13. Тертышников А.В. и др. Способ определения положения эпицентральной зоны источника и скорости распространения перемещающихся ионосферных возмущений. Заявка на изобретение. ФГБУ «ФИПС», Рег. №2014125712/07(041820) от 25.06.2014.

14. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. Т. 1, 2. - М.: ФГУП «Картгеоцентр», 2005.

15. Тертышников А.В., Суровцева И.В., Фролов В.Л., Смирнов В.М. Оценивание восстановленных по сигналам НКА ГЛОНАСС/GPS профилей электронной концентрации в ионосфере / Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - Москва: ИКИ РАН, 2010. Т. 3. С. 115-119.

16. http://www.celestrak.com/SpaceData/.

17. http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dstae/format/aehformat.html.

18. http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/poles/polesexp.html

Изобретение относится к геофизике и может использоваться в системе мониторинга окружающей среды, контроля околоземного космического пространства. Раскрытый способ реализуется расположением приемника или нескольких приемников в зонах полярных шапок и авроральных овалов, расчетом распределения значений полного электронного содержания в атмосфере (ПЭС) вдоль траекторий подионосферных точек космических аппаратов (КА) в зоне видимости каждого приемного устройства, выделяя траектории подионосферных точек КА вблизи магнитного меридиана приемных устройств. По положению экстремальных значений ПЭС на рассчитанных картах ПЭС или по положению экстремальных значений ПЭС вдоль траекторий подионосферных точек КА вблизи магнитного меридиана приемных устройств выделяют экваториальную границу аврорального овала. ПЭС рассчитывается по задержкам принимаемых сигналов на рабочих частотах КА с калибровкой по климатическим моделям ионосферы и рассчитанным аппаратным, инструментальным и тропосферным ошибкам. Для уточнения положения аврорального овала используют рассчитываемые вертикальные профили концентрации заряженных частиц вдоль траекторий КА, доступные источники информации, в том числе карты распределения ПЭС по сети приемников сигналов ГНСС в приавроральных зонах, радары и другие средства наблюдений, а также архивы данных зондирования ионосферы, адаптивные модели высокоширотной ионосферы и аврорального овала. Технический результат - повышение оперативности, точности и надежности мониторинга зоны аврорального овала и состояния магнитного поля Земли по рассчитываемым характеристикам высокоширотной ионосферы на основе приема синхронизированных по времени и закодированных сигналов КА, в том числе Глобальных навигационных спутниковых систем и геостационарных КА, с учетом климатических данных о положении аврорального овала. 6 ил.

Способ определения положения аврорального овала и состояния магнитного поля Земли, заключающийся в том, что:
- принимают не менее одним приемным устройством синхронизированные по времени кодированные электромагнитные сигналы от группировки космических аппаратов (КА) на нескольких частотах;
- раскодируют приемовычислителями принятые с установленной периодичностью по времени сигналы и рассчитывают их изменения для каждого наблюдаемого КА;
- передают через контроллеры принятые данные об изменениях сигналов в центр обработки с ПЭВМ оператора на базе процессора с устройством отображения информации, где:
- рассчитывают в каждый установленный для измерений момент времени расстояние каждого КА от каждого приемного устройства по их орбитальному (баллистическому) построению и по времени прохождения кодовых меток электромагнитных сигналов от каждого КА к каждому приемному устройству;
- рассчитывают координаты позиционирования каждого приемного устройства в момент приема сигналов КА по данным об орбитальном положении КА;
- по данным об орбитальном положении КА рассчитывают проекции траекторий КА на поверхность Земли в географических и магнитных координатах и траектории их подионосферных точек относительно приемных устройств;
- рассчитывают тропосферную задержку сигналов КА по фактическим метеорологическим данным в зоне расположения приемных устройств;
- по разности прихода по времени установленных меток в кодовой последовательности принятых сигналов КА относительно их распространения в идеальной среде рассчитывают в каждой подионосферной точке ионосферную задержку;
- рассчитывают полное содержание электронов в атмосфере (ПЭС) по разности ионосферных задержек на используемых рабочих частотах с учетом тропосферной задержки;
- калибруют полученные результаты по климатической модели ионосферы и наблюдаемым гелиогеофизическим условиям с учетом инструментальных и аппаратных задержек для каждого КА;
- рассчитывают вертикальные профили содержания заряженных частиц по наблюдениям принятых сигналов КА на основе решения обратной задачи с первичным приближением профиля на основе климатической модели ионосферы;
- проводят зондирование положение границ аврорального овала по данным ПЭС в приавроральной зоне, наблюдениям полярных сияний, с КА, радаров, по результатам зондирования особенностей вертикальных профилей концентрации заряженных частиц в ионосфере, климатическим и адаптируемым моделям аврорального овала;
отличающийся тем, что:
- приемные устройства расположены выше 65 градусов магнитной широты;
- рассчитывают карты ПЭС интерполяцией в узлы регулярной сетки магнитных координат значений ПЭС вдоль траекторий подионосферных точек КА в зоне видимости каждого приемного устройства, выделяя траектории подионосферных точек КА вблизи (±10 градусов) магнитного меридиана приемных устройств;
- выявляют экваториальную границу аврорального овала по положению экстремальных значений ПЭС на картах ПЭС или по положению экстремальных значений ПЭС вдоль траекторий подионосферных точек КА вблизи магнитного меридиана приемных устройств;
- диагностируют выше экваториальной границы аврорального овала локальные минимумы ПЭС, широтное положение которых принимается приполюсной границей аврорального овала;
- рассчитывают состояние магнитного поля Земли последовательными приближениями положения климатических границ аврорального овала при задаваемых уровнях магнитной активности к выявленным границам аврорального овала;
- формируют адаптивные модели аврорального овала, полярной ионосферы и состояния магнитного поля Земли на основе длительных рядов наблюдений.