Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Исследование изменчивости и возможности использования медианы эквивалентной толщины ионосферы в интересах систем связи Можаева Наталья Сергеевна

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Можаева Наталья Сергеевна. Исследование изменчивости и возможности использования медианы эквивалентной толщины ионосферы в интересах систем связи: диссертация ... кандидата Физико-математических наук: 01.04.03 / Можаева Наталья Сергеевна;[Место защиты: ФГАОУВО Южный федеральный университет], 2016.- 114 с.

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Экспериментальные данные и используемые модели 9

1.1 Экспериментальные данные 9

1.2 Используемые модели 13

1.3 Программная реализация используемых алгоритмов 15

Глава 2 Особенности поведения (obs) 20

2.1 Морфологические особенности поведения (obs) 20

2.2 Различия между (med) и (IRI) 27

2.3 Определение статистических характеристик, связанных с различием (med) и (IRI) 30

Глава 3 Эффективность использования (med) на примере отдельных станций и трасс 43

3.1 Результаты для станций с длинными рядами наблюдений 44

3.2 Результаты для высокоширотных станций 46

3.3 Результаты для низкоширотных станций 50

3.4 Случаи увеличения или уменьшения ТЕС в спокойных условиях. 56

3.5 Результаты для периода экстремально низкой солнечной активности 61

3.6 Эффективность использования (med) на примере отдельных трасс 63

3.7 Заполнение пропусков foF2 с помощью (med) 69

Глава 4 Эффективность использования (med) в глобальном масштабе 72

4.1 Оценка эффективности 72

4.2 Оценка отклика и синхронности вариаций параметров ионосферы 73

Глава 5 Моделирование параметра (med) 80

5.1 Использование различных аппроксимаций 85

5.2 Тестирование модели NGM 90

5.3 Тестирование модели IRI-Plas 94

5.4 Заключительные замечания 99

Заключение 104

Список литературы 105

Используемые модели

Международная справочная модель ионосферы (IRI в соответствии с общепринятой аббревиатурой от International Reference Ionosphere) является наиболее широко используемой и постоянно развивающейся. Она является международным проектом, разрабатываемым более 30 лет под эгидой Committee on Space Research (COSPAR) и the International Union of Radio Science (URSI) и принята в качестве международного стандарта [33-34]. Будучи основана на огромных массивах данных наземного и спутникового зондирования, она определяет месячные медианы электронной концентрации, ионного состава и других параметров в диапазоне высот от 60 до 2000 км. Значения параметров зависят от солнечной активности, сезона, широты, долготы и локального времени для магнитно спокойных условий вместе с поправкой на возмущенные условия в виде шторм-фактора Fstorm [35]. Особое внимание уделяется модификации модели, в том числе для определения ТЕС. За последние годы модель модифицировалась несколько раз: IRI2001 [10], IRI2007 [36], IRI2012 [34]. Модификации этой модели, разработанные в 2012-2014 г. и относящиеся в основном к параметрам высокоширотной зоны, приведены в работе [37]. В наших исследованиях широко используется еще одна новая версия модели IRI – IRI-Plas [9, 38]. Одной из особенностей модели IRI-Plas является включение плазмосферной части профиля, что позволяет рассчитывать и интегрировать N(h)-профиль ионосферы до высот навигационных спутников ( 20000 км). Преимущества модели IRI-Plas детально проанализированы в работе [38]. В диссертации будут даны результаты ее сравнения с моделями IRI2001 и NGM.

Такие модели, как IRI, NeQuick и другие, при всех преимуществах являются довольно громоздкими, поскольку требуют знания нескольких тысяч коэффициентов. Несмотря на отсутствие компьютерных трудностей при работе с такими массивами, существует потребность в более простых моделях. Примером является модель, разработанная в Институте связи и навигации немецкого аэрокосмического центра в Neustrelitz [16-17]. Она включает 3 параметра: полное электронное содержание ТЕС, foF2 и hmF2, и имело смысл объединить их в одну модель с аббревиатурой NGM (Neustrelitz Global Model) [18-19]. Особенностями модели являются исключительная простота (12-13 коэффициентов для каждого параметра), использование намного более обширного массива данных, в том числе полученных радио затменными наблюдениями на спутниках, выбор ежедневного индекса солнечной активности F10.7 в качестве запускающего параметра. Модель NGM является глобальной. Ее структуру можно описать следующим образом. Модель ТЕС(NGM) дается произведением 5 множителей: TEC=Ф1хФ2хФ3хФ4хФ5. Каждый множитель отражает зависимость от определенного физического фактора и вычисляется с использованием от 2 до 6 коэффициентов Сі. Коэффициенты определены методом наименьших квадратов наложением на экспериментальные данные за несколько лет. Коэффициент Ф1 описывает зависимость от локального времени LT, т.е. от зенитного угла Солнца, и включает суточную, полусуточную, 8-дневную вариации. Он вычисляется с использованием 5 коэффициентов (С1-С5). Максимум суточного хода зафиксирован при LT=14. Множитель Ф2 описывает годовую и полугодовую вариации, используя коэффициенты С6-С7. Коэффициент С8 включен в множитель Ф3, описывающий зависимость ТЕС от геомагнитной широты. Коэффициенты С9 и С10 соответствуют учету экваториальной аномалии в широтном ходе ТЕС. Коэффициенты С11 и С12 описывают зависимость от индекса F10.7: Ф5 = С11 + CI 2xF10.7. Модель для NmF2[17] построена по такому же принципу, но включает 13 коэффициентов, поскольку в этом случае множитель суточного хода Ф1 включает 6 коэффициентов. Максимум суточного хода также приходится на LT=14. Модель для hmF2 включает 4 множителя: hmF2 = Ф1хФ2хФЗхФ4, поскольку отсутствует специальный множитель экваториальной аномалии. Зависимость от F10.7 описывает множитель Ф4. Входными параметрами являются: doy - номер дня в году, D(21.3) - номер дня 21 марта в году (80 для не високосного, 81 - для високосного), F10.7 -среднемесячное значение индекса F10.7 для заданного дня, р - географическая широта точки, А - географическая долгота точки, tpm - геомагнитная широта точки, signer = ф/ф, LT (array) - массив локальных времен. Особое место занимают исследования, выполненные с использованием модели IRI-Plas [9, 38], расположенной на сайте http://ftp.izmiran.ru/pub/izmiran/SPIM/ и модифицированной под нужды данного исследования Жбанковым Г.А. [39]. Во всех версиях модели IRI верхней границей является высота 2000 км, однако высота спутников системы GPS, обеспечивающих измерение ТЕС, близка к 20000 км, т.е. для корректного расчета ТЕС модель должна включать плазмосферную часть. Эта часть включена в модель IPJ-Plas. Как видно из рисунке 1.1, в большинстве случаев модельные значения меньше экспериментальных. Причиной как раз и является отсутствие плазмосферной части в модели IRI. На рисунке 1.2, дополненном результатами модели IRI-Plas, ее значения попали в диапазон экспериментальных. Кроме того, в [9, 38] была модифицирована часть ВД-профиля верхней ионосферы введением масштаба высоты Hsc. Дополнительной модификацией является возможность адаптировать модель к экспериментальным значениям ТЕС кроме предусмотренной ранее адаптации к foF2 и hmF2.

Определение статистических характеристик, связанных с различием (med) и (IRI)

Верхние графики показывают поведение TEC(JPL) вместе с медианой. Видна классическая реакция ионосферы на возмущение: положительная фаза сменяется отрицательной. В марте отклик был сильнее, и фаза восстановления длилась дольше. Второй ряд графиков иллюстрирует поведение 4-х параметров. Это - экспериментальная критическая частота foF2(obs), соответствующие медианы, значения модели IRI и значения foF2(rec), рассчитанные из экспериментальных TEC(obs) с использованием x(med). Необходимо отметить 2 факта: 1) близость значений модели и медиан, которая свидетельствует о высокой точности модели, 2) во время возмущений, естественно, эти средние значения отличаются от возмущенных значений конкретного дня. Поскольку для получения значений foF2(rec) используются конкретные TEC(obs), то foF2(rec) значительно ближе к экспериментальным, чем модельные. Третий ряд рисунков показывает соответствие различных т, уже рассматривавшееся в предыдущем разделе, но это как раз и есть иллюстрация, откуда берутся результаты. Значения x(med) превышают T(IRI), T(obs) увеличивается во время возмущений и тем больше, чем сильнее возмущение. Четвертый ряд показывает поведение абсолютных отклонений для foF2(IRI) и foF2(rec). Наибольшие отклонения соответствуют возмущенным дням. Для foF2(rec) в случае умеренного возмущения отклонения AfoF2 не превышают 1 МГц. Для сильного возмущения отклонения могут быть больше, но они существенно меньше отклонений для модели IRI. Последний ряд показывает поведение относительных отклонений 6foF2 и 6ТЕС во время возмущений. Анализировать эти величины необходимо только во время возмущений, так как в спокойных условиях они лежат в пределах ±20%. В марте отклонения больше. Важным фактом является синхронность вариаций, свидетельствующая о том, что в данном случае вариации в нижней ионосфере, контролируемые частотой foF2, и в плазмосфере, контролируемые ТЕС, имеют одинаковый знак.

Пример месячной статистики показан на рисунке 2.17. Наибольшие отклонения соответствуют мгновенным значениям модели IRI (черные точки), затем идут значения для foF2, определяемые по TEC(obs) с использованием T(IRI), показанные полыми кружками, и значения для foF2(rec) для 5 глобальных картІРЬ, CODE, UPC, ESA, IGS. Видно, что, хотя одна из карт может иметь наименьшее среднее за месяц, x(med) для всех карт обеспечивают лучшее соответствие с экспериментальными foF2, чем модель и (IRI).

Примеры месячной статистики отклонений, среднемесячные значения которой сводятся в таблицы для сравнения Примеры приведены для эталонной среднеширотной станции, поскольку модель IRI дает в этом случае наилучшие результаты, для сравнения с результатами в других широтных зонах. В 2014 г. и 2015 г. число станций было наибольшим и для всех проведены расчеты по описанной схеме. Это позволяет иметь представление о вариациях параметров для всего земного шара и об особенностях отклика ионосферы в различных частях земного шара.

В работе [6] был введен коэффициент К(т) = T(obs)/T(IRI), показывающий, во сколько раз экспериментальная толщина больше или меньше модельной. На рисунке 2.18 приведен суточный ход этого параметра для станции Juliusruh в январе для различных лет, что позволяет оценить зависимость от солнечной активности. Для наглядности рисунок 2.18 разделен на 2 части: на ниспадающей ветви солнечной активности (слева) и на нарастающей (справа). Черными точками показан коэффициент К(т) = 1, т.е. равенство двух коэффициентов. Рисунок 2.18 Пример суточной зависимости K для различных лет в цикле солнечной активности в зимний период Видны все особенности поведения и отличия от T(IRI). В зимний период для T(obs) характерны как предвосходные, так и вечерние максимумы, и видна зависимость от солнечной активности, совпадающая с отмечаемой в экспериментальных работах: предвосходные максимумы не проявляются при высокой активности. На рисунке 2.19 дан суточный ход К(т) для других месяцев, чтобы выявить сезонный ход. В марте пропадает вечерний максимум, а в летнее время модель занижает значение т в условиях низкой активности и дает значения, близкие к экспериментальным, в условиях высокой активности. Осенью опять в условиях низкой активности появляются утренние максимумы. Более детально сезонный ход показан на рисунке 2.20 для различных времен суток. Это говорит о том, что нельзя однозначно сказать, работает модель плохо или хорошо. Даже для одной станции оценка может быть различной в зависимости от времени суток, сезона, уровня солнечной активности. На рисунках 2.21-2.24 приведены результаты для высокоширотной станции Thule северного полушария, низкоширотной станции Kwajalein и двух станций южного полушария Ascension Island и Mawson. Для этих станций данные были наиболее полными и непрерывными.Q

Результаты для низкоширотных станций

Наибольшие отличия экспериментальных и модельных значений связаны с параметром ТЕС. В данном случае наилучшее соответствие получено для модели IRI2001. Новые версии IRI2007 дают одинаковые значения, которые существенно ниже экспериментальных. Особенностью поведения параметра является его увеличение вблизи экватора, несмотря на уменьшение значений foF2 и ТЕС, и сильное превышение над модельными значениями.

Таким образом, данные, полученные зондированием с орбитальной станции, позволили уточнить характеристики ионосферы, влияющие на распространение радиоволн. Сравнение с моделью IRI свидетельствует об ее адекватности условиям в экваториальной зоне.

Поведение ионосферы во время возмущений всегда было предметом самого пристального внимания, однако в некоторых статьях было указано на существование квази- возмущенных эффектов в спокойных или слабовозмущенных условиях [52-53]. Как отмечено в [53], такие случаи чаще всего бывают на фоне низкой активности и в этих случаях наибольшую опасность представляют градиенты ТЕС для работы навигационных спутников. Нас интересует в этих случаях поведение (med), (IRI), возможность определения foF2 в таких условиях их экспериментальных значений ТЕС с использованием (med). В работе [52] отобраны 15 случаев. Из них случай 22-24 января 2006, как и весь месяц, характеризовался абсолютно спокойными условиями в геомагнитном отношении. Результаты в [52] получены на примерах 5 станций европейского региона, однако в силу подобия результатов приведем их не для всех станций. На рисунке 3.12 показано типичное поведение параметров ионосферы, характерное для положительных возмущений в дневное время. Для сравнения приводятся значения, рассчитанные для модели IRI. В данном примере в дневное время все типы имеют близкие значения, вариации ТЕС могут составлять до 100%. На этом примере можно продемонстрировать общие (для всего месяца) и частные (для 3-х дней вблизи возмущения) особенности соответствия рассчитанных и экспериментальных значений foF2 для других станций европейского региона (в его более высоко- и низко-широтной частях). Результаты для станций Leningrad, Athens на рисунках 3.13 и 3.14 включают отклонения foF2 и соответствующие коэффициенты эффективности.

Пример поведения параметров ионосферы во время положительного возмущения по данным станции Juliusruh Рисунок 3.14 Результаты для станции Athens Для обеих станций результаты подобны результатам для среднеширотных станций. В спокойные периоды модель IRI дает очень хорошее соответствие с медианами. Использование (IRI) и TEC(obs) для определения foF2 не обеспечивает хорошего соответствия с foF2(obs) за счет больших отличий (IRI) от (obs), показанных на средних графиках рисунков 3.13 и 3.14. Использование (med) дает foF2, не превышающее 0.5 МГц, и коэффициент эффективности больше единицы. Вариации , % показали положительное возмущение как для ТЕС, так и foF2 для всех европейских станций северного полушария. Они больше в высокоширотной зоне, чем в низкоширотной. Для самой высокоширотной станции Tromso, для которой были доступны данные, отклонения ТЕС и foF2 были самыми большими (порядка 100%). Результаты для низкоширотной станции южного полушария Grahamstown приведены на рисунке 3.15. Рисунок 3.15 Результаты для станции южного полушария Grahamstown Данное возмущение не затронуло южное полушарие, поэтому приведены графики только для ТЕС, foF2, foF2 и К. Особенностью является присутствие слоя Es, частота которого приписана слою F2. Именно она приводит к сильному увеличению foF2. Использование (med) позволяет восстановить частоты слоя F2. Другие примеры восстановления foF2 в присутствии слоя Es даны в [46]. В работе [54] для 23 января 2006 г. построены N(h)-профили для станции Москва для прослеживания влияния этого возмущения. Показано, что в момент UT=12 наблюдалось превышение ионизации во всем слое над медианным уровнем, а в UT=14 в результате перераспределения ионизации произошло сильное увеличение foF2 и заполнение профиля в районе 200-400 км. В UT=16 ионосфера вернулась в исходное состояние, то есть положительный всплеск ТЕС может приводить к существенной перестройке ионизации.

Тестирование модели NGM

Как известно, одним из недостатков наземного зондирования является частое отсутствие данных, что иногда мешает получению статистически полных наборов, необходимых для более точного определения медианных значений при долгосрочном прогнозе. В большинстве случаев заполнение пропусков для foF2 осуществляется на основании статистических соотношений, полученных для этого параметра. В данной работе для заполнения отсутствующих значений foF2 предлагается использовать параметр ТЕС и эквивалентную толщину ионосферы т. Фактически при проведении всех исследований foF2 часто отсутствовали и заполнение пробелов относилось к случаю одной станции и в тексте можно найти несколько примеров. Результаты показали существенное улучшение соответствия между рассчитанными и экспериментальными значениями, однако ситуация для возмущенных условий требует дальнейшего исследования, поэтому в работе [46] сделана попытка использовать регрессионное соотношение, которое учитывает значения тво время возмущений. Для примера на рисунке 3.25 приведены отклонения foF2 для обеих версий ((med) и (hyp)) для ст. Ростов и Москва в сравнении с отклонениями для модели IRI, которая традиционно используется для заполнения пробелов.

Сравнение отклонений для двух типов (med) и (hyp) Наиболее отчетливо улучшение определения foF2 с использованием (hyp) видно на примере ст. Москва. Другим способом заполнения пробелов является использование данных другой станции. Для такого определения существует несколько методов, основанных на использовании медиан foF2 двух станций. В работе [63] используется линейная регрессия, в работе [64] используется специальная формула. В работе [65] предложен метод определения foF2 одной станции с использованием ТЕС этой станции и эквивалентной толщины (med) другой станции. В этой работе было проведено сравнение трех методов по данным цепочки станций Loparskaya (68N, 33Е), Leningrad (60N, 30Е), Moscow (47.3N, 39.7E), Athens (38N, 23.5E) в 2001 г. Результаты представлены в виде разностей AfoF2 = foF2(obs) — foF2(caLc) на различных расстояниях от ст.

Loparskaya и сравниваются с моделью IRI. В качестве foF2(obs) брались экспериментальные значения соответствующей станции. В качестве foF2(calc) брались значения, рассчитанные с использованием (med) станции Loparskaya и экспериментальных значений ТЕС соответствующей станции. Результаты были приведены на рисунке 6 работы [65] с указанием широты начальной и конечной станций. На рисунке 3.26 эти графики дополнены значениями foF2, полученными для (med) и ТЕС конечной станции. Ромбы представляют метод [63], прямоугольники - метод [64], сплошные кружки - метод [65]. Кружки показывают результаты для модели IRI, звездочки - для использования (med) и ТЕС конечной станции. Результаты [65] дополнены графиками для станции Athens. Рисунок 3.26 Отклонения рассчитанных значений foF2 от экспериментальных для различных методов восстановления

Видно, что в пределах полуторного радиуса пространственной корреляции 1.5 Rкор (Rкор=8по оценкам [65]), охватывающего расстояния до первых двух станций (два верхних графика), все методы за исключением [64] зимой дают результаты лучше, чем модель IRI, а метод [11] лучше, чем остальные. На расстояниях, превышающих 1.5 Rкор, результаты методов [63] и [64] сильно ухудшаются, результаты метода [11] приближаются к результатам для модели IRI. Чем больше расстояние, тем четче выявляются преимущества использования (med) и ТЕС(obs) конкретной станции.

Выводы к главе 3. На примере отдельных ионосферных станций во всех регионах земного шара и различных трасс (Cyprus-Moscow, Cyprus-Rostov, Ленинград-Свальбард, Inskip-Rome), различных уровней солнечной и геомагнитной активности, с использованием данных орбитальной станции «Мир» показана высокая эффективность использования (med) совместно с ТЕС для определения условий распространения в ионосфере по сравнению с (IRI). Дополнительным использованием ТЕС и (med) является заполнение пропусков foF2, улучшающим результаты традиционных методов.