Реализация программы формирования системы инновационного образования
в МГУ им. М.В. Ломоносова

Подпроект 10.в. Реализация образовательных программ инновационного типа в области фундаментальных и прикладных исследований оболочек Земли для решения задач геофизики, геологии, недропользования и экологии.
 
10.в.8. "Спутниковая томография состояния и экологии околоземной среды"
 
Руководитель подпроекта - проф. В.Е. Куницын.

    Проведена модернизация спецкурса "Физика верхней атмосферы" (проф. Куницын В.Е.), в частности, наряду с традиционными методами зондирования в спецкурс включены спутниковая радиотомография и радиозатменный метод. Разработана программа модернизированного спецкурса. Модернизированный спецкурс прошел апробацию в весеннем семестре 2006г.

   На кафедре проводится подготовка нового спецкурса "Дистанционное радиозондирование верхней атмосферы и ближнего космоса". В спецкурсе планируется рассмотреть различные методы современных исследований ионосферной и околоземной плазмы, включая: методы вертикального, наклонного и возвратно-наклонного зондирования; ракетные методы измерений (in situ и дистанционные); метод некогерентного рассеяния радиоволн; активные методы (выбросы химических облаков, инжекция электронных пучков, радиочастотный нагрев ионосферы); метод частичных отражений; метод Фарадея; риометрический метод исследования ионосферы. Особое внимание будет уделено спутниковым методам дистанционного радиозондирования, в частности, методам лучевой радиотомографии.
   Анализируются физические аспекты фазовых и амплитудных измерений с использованием навигационных систем типа "Транзит"/"Цикада" (150/400МГц) и GPS/ГЛОНАСС. В спецкурсе будут рассмотрены радиотомографические исследования ионосферы различных широт на базе различных спутниковых систем, экспериментальная апробация лучевой РТ, а также сопоставление с другими методами исследований (данными радара некогерентного рассеяния и ионозондов).
   Апробация нового спецкурса предполагается в 2006/2007 уч.году.
   Спецкурс будет опираться на создаваемые задачи спецпрактикума, связанные с физическими основами работы спутниковых навигационной систем: низкоорбитальных ("Транзит"/"Цикада") и высокоорбитальных (GPS/ГЛОНАСС) и с методами радиотомографии.

   В последнее время в геофизике вообще и в физике атмосферы в частности пристальное внимание уделяется комплексным проблемам, лежащим на стыках различных областей знаний. Физика атмосферы является уникальным объектом научного исследования и обучения студентов различным подходам и методам иследования - от классических схем экспериментального изучения параметров атмосферы и неконтактных (радиометрических) методов определения температуры в лабораторных условиях до изучения климата Земли на компьютерных моделях и использования искусственных спутников Земли в различных геофизических приложениях.
   На кафедре физики атмосферы реализуется девять задач спецпрактикума в области физики атмосферы. В рамках инновационного подпроекта разрабатывается новые задачи спецпрактикума "Физика работы и свойства измерительных сигналов спутниковой навигационной системы GPS". Проводится модернизация существующих задач спецпрактикума "Обработка цифровых ионограмм" и "Геодезические приложения работы навигационных спутниковых систем".

   Необходимость глобального мониторинга нестационарной и неоднородной ионосферы как части Земли очевидна. Для этой цели создаются национальные сети стационарных станций приема GPS сигналов. В каждой точке земного шара одновременно видно не менее четырех спутников системы GPS и если бы было возможно обладать равномерно распределенной по поверхности земли сетью станций слежения за спутниками, то можно было бы осуществлять глобальный мониторинг атмосферы и ионосферы земли, выделять неоднородные структуры в них, исследовать их характеристики, движение и т.п. К сожалению, география земли такова, что не возможно разместить станции слежения в каждой ее точке, в данный момент в мире существует более 1000 наземных станций, которые довольно широко покрывают Северную Америку, Европу и гораздо хуже Азию. Меньше станций GPS на Тихом и Атлантическом океанах.
Схема размещения станций показана на рисунке.

 
Рис. 1. Схема размещения наземных GPS-приемников.

   На каждой станции находится двухчастотный многоканальный приемник, с помощью которого на двух когерентно-связанных частотах осуществляется высокоточные измерения группового и фазового запаздывания на луче зрения между приемником на земной поверхности и передатчиками на ИСЗ системы GPS. Координаты станции измерены с миллиметровой точностью. Станции могут записывать отдельные или все параметры из следующего списка:
  • значение фазы принимаемого сигнала на частотах L1 и L2,
  • псевдодальность, восстановленная по C/A-коду на L1 (C1)
  • псевдодальность, восстановленная по P-коду на частотах L1, L2 (P1,P2)

   Станции принадлежат различным организациям в разных странах мира, у каждой из которых своя политика относительно методики измерений и доступа к полученной информации. Часть организаций выставляет информацию об измерениях в публичный доступ и записывает данные в стандартном формате - формате RINEX (receiver independence exchange format).
   В мире существует множество национальных ассоциаций обладающих сетью наземных станций слежения. Информация из данных сетей доступна в центре SOPAC. SOPAC - The Scripps Orbit and Permanent Array Center институтов Cecil H. and Ida M. Green Institute of Geophysics and Planetary Physics (IGPP), Scripps Institution of Oceanography (SIO), University of California, San Diego (UCSD). Центр SOPAC содержит архив 250 южно-калифорнийских станций и является ведущим участником в International GPS Service (IGS).
   В рамках работ по инновационному проекту проведена подготовка новой задачи спецпрактикума кафедры физики атмосферы по изучению физики работы и свойств измерительных сигналов спутниковой навигационной системы GPS, ориентированной на приобретаемые навигационные приемники Trimble Total Station 5700.
   Примеры окон при работе с программой приведены ниже.

 
Рис. 2. Визуализация загруженных данных.

   Так, студент имеет возможность визуализовать и исследовать свойства всех наблюдаемых параметров от всех GPS PRN, оценить геометрию их месторасположения относительно приемной станции, выбрать ИСЗ для решения навигационной задачи (т.е. по сути, практически моделировать работу навигационного приемника), рассмотреть влияние ионосферы на точность местоопределения, исследовать временн`ую динамику определения координат приемной станции.

   Задача находится в стадии адаптации к приобретаемой приемной технике, апробируется с использованием различных наборов данных в ходе занятий со студентами 4-го курса.

 
Рис. 3. Имитация работы приемного устройства - анализ спутниковой геометрии.

 
Рис. 4. Примеры выделения ионосферы.

   Результат решения навигационной задачи представлен на рис 5. Видна эволюция местоположения неподвижного маркера (приемной станции) во времени.

 
Рис. 5. Результаты решения навигационной задачи.

   В ходе работ по инновационному проекту осуществлена модернизация задачи в рамках новой естественнонаучной специализации и магистерской программы. Суть проведенной модернизации заключается в адаптации задачи для студентов 3-го курса, что делает возможным ее использование в учебном процессе при подготовке бакалавров. После модернизации в задаче детально рассматриваются физические аспекты геодезических применений системы GPS. При проведении измерений на местности используется одночастотный приемник сигналов GPS Garmin eTrex Vista. Студенты должны определить географические координаты выбранных точек на местности, имеют возможность с помощью специализированной программы рассчитать длину меридиана и параллели на данной широте и сравнить с измеренной на местности. В процессе измерений в разных условиях студенты знакомятся с влиянием атмосферы и ионосферы на результаты измерений. Создано новое описание задачи.

   На кафедре физики атмосферы МГУ совместно с ИЗМИРАН была создана задача спецпрактикума "Обработка ионограмм". Сохранение данных в цифровой форме обеспечивает компактность их хранения и пересылку по компьютерным сетям, что позволяет современному исследователю пользоваться данными геофизических измерений со всего мира. Поэтому представляется важным ознакомить студентов с цифровыми ионограммами и методами их компьютерной обработки.
   Было составлено руководство по выполнению лабораторной работы, создан, записан и постоянно обновляется обширный электронный каталог ионограмм и разработана компьютерная программа для обработки цифровых ионограмм.
   Эта программа позволяет отображать цифровые ионограммы, записанные в графических форматах GIF и BMP. Студенты выполняют следующие исследования:
  • определение критических частот и действующих высот,
  • определение МПЧ и коэффициентов МПЧ (в соответствии со стандартными кривыми передачи для трассы 3000 км),
  • аппроксимацию ионограмм кривыми, содержащими логарифмическую особенность, с последующим сохранением полученной высотно-частотной характеристики, а также
  • проведение автоматической реконструкции истинных высот по действующим в предположении монотонного роста электронной концентрации с высотой (в том числе при учете магнитного поля).

 
Рис. 6. Измерение критических частот и действующих высот с помощью программы ion.

   Программа ion работает под управлением ОС Windows и обладает развитым удобным пользовательским интерфейсом. На рис. 6 изображено измерение критической частоты обыкновенной волны. Измеряемые частота и действующая высота отображаются в информационной строке в нижней части окна. На рис. 7 показано измерение МПЧ посредством стандартных кривых передачи. В информационной строке указаны: критическая частота, МПЧ и коэффициент МПЧ.
   Возможность аппроксимации ионограммы кривой, содержащей логарифмическую особенность, продемонстрирована на рис. 8. Результат аппроксимации может быть сохранен в файл данных (меню Curve/Save), а также преобразован в значения истинных высот как при учете (меню Curve/Calculate with fH), так и без учета магнитного поля (меню Curve/Calculate), которые также сохраняются в файлы данных. Кривые истинных и действующих высот, соответствующие ионограмме, изображенной на рис. 8., приведены на рис. 9.

 
Рис. 7. Измерение МПЧ.

 
Рис. 8. Измерение действующих высот и вычисление по ним истинных высот.

 
Рис. 9. Действующие высоты и реконструированные по ним истинные высоты при учете и без учета магнитного поля.

   Выполнение лабораторной работы "Обработка ионограмм" позволяет студентам ознакомиться со структурой ионосферы и динамикой ее основных характеристик, основными принципами работы ионозондов, а также с классическими методами зондирования ионосферы.
   Руководство по выполнению лабораторной работы содержит теоретическую часть, в которой изложены основные сведения о структуре ионосферы, модель образования чепменовского слоя, простейшая магнитоионная теория распространения радиоволн в ионосферной плазме, принципы радиозондирования ионосферы. В практической части описывается порядок обработки ионограмм, детально изложены правила работы с программой ion, рекомендации по определению погрешностей измерений. Упражнения выполняются на заданном преподавателем наборе цифровых ионограмм.
   Необходимо отметить, что помимо чисто учебных целей программа обработки ионограмм ion используется в научных исследованиях, проводимых в ИЗМИРАН и на физическом факультете МГУ.

   Программа MaxPro.

   Программа MaxPro для предобработки данных высокоорбитальных спутников выводит окно для отображения графиков и набора панелей, содержащих органы управления. Всего существует четыре панели: 1) для загрузки и сохранения данных 2) для визуализации данных 3) для предобработки и модифицирования данных 4) информационная панель, отражающая параметры загруженных данных. На рисунке показана панель визуализации и графики интегралов электронной концентрации вдоль линии спутник-станция в зависимости от времени, вычисленные по фазовым и групповым данным.

 
Рис. 10. Программа MaxPro для предобработки данных высокоорбитальных спутников.

   Программа для визуализации геометрии системы позволяет отображать положения станций и спутников, а также область пространства, в котором строится модель ионосферы. На рисунке показан скриншот программы. Программа позволяет рассмотреть сцену с произвольного ракурса и в любом масштабе.

 
Рис. 11. Программа Constellation.

   Ниже показаны примеры конфигурации станций, полученные с помощью программы Constellation:

 
Рис. 12. Конфигурация станций, полученная с помощью программы Constellation.

   Для большого ряда приложений при обработке спутниковых данных систем GPS/ ГЛОНАСС часто необходимо знание возможно более точного местоположения навигационных КА. Так возникает задача расчета геоцентрических координат и вектора скорости всех доступных пользователю ИСЗ. В сети IGS существуют различные файлы данных, содержащие как результаты обработки данных спутниковых координат - в виде sp3- файлов с 15- минутным интервалом, так и оперативные данные о спутниковых орбитах, получаемые пользователем в реальном времени. Как правило, эти данные за весь день размещены в файле "auto***.**n" или в файле с именем приемной станции и соответственно расширением "*.**n".
   Алгоритмы обработки этих данных различны. Для sp3- данных решается задача интерполяции местоположения по выбранным отсчетам. Наиболее часто для решения этой задачи используется интерполяция Лагранжа 15-го порядка. Для обработки быстрых орбит (n- файлы) используются данные о Кеплеровых элементах орбит и информация о текущем отклонении (возмущениях) орбиты. Методика обработки таких орбит включает в себя учет различных поправок, таких как, например, релятивистских, на вращение Земли, на время распространения сигнала и т.п.
   Созданное специализированное программное обеспечение решает все указанные задачи и позволяет пересчитать местоположение и значение вектора скорости КА на стандартный 30- сек интервал, обычно используемый для данных сети IGS.

 
Рис. 13. Активное окно программы.

   Кроме этого, пользователь может :   1) выбрать тип файлов для обработки и определить набор выходной информации - выводить время, координаты, скорость, переименовывать файл "по дате" или оставить как у оригинала, но с префиксом, определяющим тип обработки - "Lag_..." или "Eph_..." (см. рис. 13)   2) реализовать режим пакетной обработки, когда все файлы заданного пользователем типа, расположенные в одной директории, обрабатываются автоматически.

 
Рис. 14. Пример работы программы GNSS_Orbits.exe.

   Первым шагом в подготовке данных для томографической реконструкции является их предварительная обработка. Для каждой регистрации нужно вычислить амплитуду и фазу сигнала, устранить возможные разрывы и скачки данных, проанализировать геометрию эксперимента и особенности данных. Нужно рассчитать параметры траектории спутника. Для эффективной предобработки данных низкоорбитальной томографии в ходе реализации проекта разработано программное обеспечение для предварительной обработки данных. Использование этого ПО позволяет осуществлять визуальный контроль качества данных, рассчитывать амплитуды и фазы зарегистрированных сигналов, вычислять точное время каждой регистрации, необходимое при расчете траекторий, рассчитывать широту, долготу, высоту, азимут и угол места спутника. Предусмотрена возможность обработки как отдельных регистраций, так и большого набора (списка) данных. В результате предобработки формируется каталог рассчитанных параметров, систематизированный по датам \ номерам спутников \ приемным станциям \ временам регистрации данных. На рис. 15 приведена иллюстрации работы описанного ПО

 
Рис. 15. Иллюстрации работы программы предобработка и обработка сигналов низкоорбитальных спутников.

   Специфической задачей спутникового радиозондирования является анализ амплитудных данных. Используя эти данные, можно определить ряд статистических параметров, характеризующих пространственное распределение и геометрию мелкомасштабных неоднородностей сред распространения радиосигналов: распределение интенсивности флуктуаций электронной плотности или показателя преломления, форму спектра (показатель спектра, вытянутость неоднородностей вдоль магнитного поля и в перпендикулярной к магнитному полю плоскости, ориентацию поперечной анизотропии неоднородностей). На кафедре физики атмосферы ведется разработка ПО для анализа амплитудных данных спутникового радиопросвечивания, которое позволяет рассчитать дисперсию уровня зарегистрированного сигнала и определить параметры рассеивающих неоднородностей. Рисунок 16 иллюстрирует результаты, полученные при использовании разработанного ПО для анализа экспериментальных данных.

 
Рис. 16. Определение параметров анизотропии мелкомасштабных неоднородностей электронной плотности:
экспериментальная кривая (сплошная красная линия) и модель (пунктир)

   На рисунке представлен график уровня амплитуды зарегистрированного сигнала (сплошная линия красного цвета) и модельная кривая, аппроксимирующая экспериментальные данные (точки). Параметры рассеивающих неоднородностей в данном случае следующие: продольная вытянутость неоднородностей α = 30, поперечная вытянутость неоднородностей β = 5, ориентация поперечной анизотропии Ψ = 74°.

   На рис. 17 показан пример статистического радиотомографического восстановления структуры распределения флукуации электронной плотности в субавроральной ионосфере.

 
Рис. 17. РТ-реконструкция относительного изменения дисперсии флуктуаций электронной плотности
(район Кольского полуострова) 2 февраля 1996г., в 18:20-18:30UT.

   Сотрудниками кафедры разрабатывается ПО для ознакомления студентов и аспирантов с процессом томографической реконструкции структуры и динамики ионосферы. С использованием разрабатываемого ПО студенты и аспиранты смогут ознакомиться с различными алгоритмами решения систем линейных уравнений для задач радиотомографии (РТ), проанализировать возможности различных томографических подходов (фазовой РТ с оценкой начальной фазы, РТ по относительной фазе и фазоразностной РТ) и влияние различных типов аппроксимаций проекционных операторов на результаты реконструкции, особенности учета в процессе реконструкции краевых эффектов, связанных с ограничениями РТ (неполнотой данных, небольшисм числом приемников и т.д.), а также получить представление о возможностях высокоорбитальной и низкоорбитальной радиотомографии в исследовании структуры и динамики высокоширотной, субавроральной, среднеширотной и экваториальной ионосферы.

 
Рис. 18. Пример учета краевых эффектов при восстановлении:
(а) - начальный этап; (б) - промежуточный этап; (в) - завершающий этап:
окончательный вариант начального приближения (по результатам предыдущих этапов) и реконструкция.

 
Рис. 19. Примеры РТ реконструкций ионосферы: главного ионосферного провала,
экваториальной аномалии и волновых структур в субавроральной и авроральной ионосфере методом низкоорбитальной томографии.

 
Рис. 20. Пример реконструкции структуры ионосферы методом высокоорбитальной радиотомографии
в период октябрьской геомагнитной бури 2003 г.

    Радиофизические методы изучения верхней атмосферы занимают одно из ведущих мест в получении экспериментальных данных. Проблеме диагностике состояния ионосферы уделяется большое внимание в международных программах геофизических и космических исследований. С развитием космической радиосвязи и навигации, космической геодезии представляет большой интерес исследование пространственно-временного распределения электронной концентрации в ионосфере. Как известно, ионосфера является одним из основных источников ошибок радиотехнических измерений, основанных на использовании трансионосферного распространения сигналов.

    С завершением развертывания в 1994г. глобальной навигационной системы второго поколения GPS (Global Positioning System) появился новый инструмент, который позволяет проводить измерения задержек радиосигналов непрерывно в планетарном масштабе. Это потребовало разработки нового метода, обеспечивающего анализ и интерпретацию GPS наблюдений в целях диагностики состояния ионосферы. Существенным преимуществом метода радиопросвечивания ионосферы сигналами спутников GPS является то, что он, в отличии от других методов диагностики, не требует значительных финансовых затрат. Реализация его возможностей для исследования ионосферы обеспечивается тем, что в рамках международных программ по изучению геодинамики создана обширная сеть станций IGS (International Geodynamic Service), на которых проводятся непрерывные GPS наблюдения. Наблюдения легкодоступны и могут быть получены по сети Интернет. Причем, если сеть станций по зондированию ионосферы сокращается, то число станций IGS c каждым годом увеличивается. Однако, новые постановки радиотомографических задач (четырехмерная, пространственно-временная томография ионосферы) потребовали разработки и новых методов реконструкции.

    Задача реконструкции пространственно-временного распределения электронной концентрации в ионосфере по данным GPS относится к классу задач томографии с неполными данными. Она имеет следующие характерные особенности:

  1) Данные по каждой паре спутник-приемник известны только с точностью до некоторой аддитвной константы.
  2) Относительно медленная скорость движения спутников GPS делает необходимым учет времени, которое входит в постановку задачи как дополнительное, четвертое измерение.
  3) Задача является существенно недоопределенной, возникает проблема неединственности решения. Более того, возможно существование таких областей пространства, которые не пересекаются ни одним из лучей спутник-приемник.

    Все это приводит к тому, что использование каких-либо формул обращения оказывается совершенно невозможным, поэтому для решения задачи необходимы такие методы, которые будут естественным образом осуществлять продолжение искомой функции в области нехватки данных. Одним из вариантов идеологии построения таких методов является поиск наиболее гладкого решения.

    Комплекс программ для вычисления глобальных распределений электронной плотности атмосферы является набором утилит, выполняющих три функции:

  1) Средства получения данных по сети Интернет, позволяющие получать необходимые спутниковые данные за сутки для выбранного региона.
  2) Средства предобработки данных и переведения их во внутренний формат, пригодный для дальнейшей реконструкции. Параметры предобработки (временной интервал, интервал сглаживания, шаг по времени) задаются с помощью конфигурационных файлов.
  3) Средства томографической реконструкции. Параметры реконструкции (сетка, количество итераций и т.д.) также задаются при помощи конфигурационных файлов. Визуализацию результатов реконструкции предполагается производить с помощью стандартных графических пакетов, например Origin.

    Ниже приведены некоторые примеры результатов реконструкции электронной концентрации, полученные с помощью данного комплекса программ:

 
Пример глобальной реконструкции. Карта вертикального полного электронного содержания.

 
Примеры меридиональных разрезов в районе Аляски.

 
Пример региональной реконструкции. Структура экваториальной аномалии.

 
Пример региональной реконструкции. Европа.

а) ионосферный провал

б) аномальное ночное повышение электронной концентрации в период магнитной бури

   Для обучения студентов навыкам экспериментальных радиотомографических исследований в рамках инновационного проекта предусмотрена закупка специализированной приемно-измерительной аппаратуры высокоорбитальной и низкоорбитальной томографии, а также оборудования для организации системы сбора данных и их передачи в центр обработки.

   Для измерения сигналов высокоорбитальных спутников GPS и ГЛОНАСС кафедрой физики атмосферы приобретаются профессиональные геодезические приемники Trimble 5700.

 
Рис. 21. Геодезический приемник Trimble 5700.

   Trimble 5700 - это современная технологичная модульная система для регистрации сигналов GPS, обладающая высокой производительностью и точностью. Основу системы составляет приемник с низким энергопотреблением и технологией обработки GPS-сигнала последнего поколения Maxwell 4. Корпус из магниевого сплава, который используется в аэрокосмической промышленности имеет удельный вес на 30% меньше алюминия и обеспечивает уникальные характеристики ударо- пыле- влагозащищенности аппаратуры. Высокоточная GPS-антенна Zephyr характеризуется крайне низким уровнем переотражения сигнала, воздействию на нее многолучевости, возможностью слежения за спутниковым сигналом с экстремально низким значением высоты над горизонтом и имеет субмиллиметровую точность позиционирования фазового центра. GPS-приемник 5700 использует по умолчанию два встроенных аккумулятора питания, позволяющих осуществлять непрерывные измерения течение всего рабочего для без дополнительной перезарядки.

   Для регистрации сигналов низкоорбитальных навигационных спутников "Цикада" и "Парус" кафедрой физики атмосферы приобретаются несколько комплектов специализированного радиотомографического комплекса. Томографический комплекс предназначен для регистрации амплитуды и разности фаз принятых когерентных волн на частотах 400 МГц и 150 МГц, которая связана с интегралом от электронной плотности вдоль луча приемник - навигационный спутник.
   В состав томографического комплекса входят антенно-фидерное устройство, томографический приемник, блок сопряжения томографического приемника с персональным компъютером. Аппаратура позволяет осуществлять регистрацию спутниковых сигналов с частотой дискретизации до 100 Гц (обычно 50 Гц), прием телеметрической информации и сигналов точного времени.

 

 
Рис. 22. Томографический комплекс.

   Приобретаемые приемники будут использованы для организации томографической цепочки, которая может быть развернута как автономно, так и являться продолжением ныне действующей радиотомографической цепочки ПГИ РАН (Шпицберген-Кольский полуостров-Карелия).

   Для организации современной системы сбора, хранения и передачи спутниковых данных из точек регистрации в центр обработки проводится закупка оборудования, включающего ноутбуки расширенной комплектации, сервер обработки/хранения данных, средства беспроводной связи и дополнительные устройства (мобильные телефоны, радиомодемы, источники бесперебойного питания).