Доклад: Спутниковая радиотомография

Результаты RATE’93 показали высокое качество РТ -реконструкций и совпадение результатов томографических и радарных сечений в рамках точностей обоих методов.

3. Научная программа эксперимента "Маяк"

Для мониторинга состояния ионосферы на конкретных протяженных трассах пересекающих сейсмоактивные регионы предполагается использовать метод спутниковой радиотомографии ионосферы. Для этого на борту спутника устанавливается радиопередатчик МАЯК для излучения двух когерентных частот в УКВ и СВЧ диапазонах. С 1957 г. когерентные передатчики "МАЯК" в различной модификации широко используются в отечественных и зарубежных спутниковых экспериментах (на низкоорбитальных КА, на геостационарных спутниках и на межпланетных космических аппаратах) Метод радиопросвечивания основан на том, что при распространении радиоволн в столкновительной анизотропной частично-ионизированной неоднородной плазме, каковой является ионосфера Земли, происходит взаимодействие радиоволн со средой распространения вследствие известных эффектов - рефракции, дисперсии, поглощения, рассеяния на флуктуациях электронной концентрации и др. Поэтому принимаемые на Земле радиоволны содержат в себе информацию о параметрах подспутниковой области, в т.ч. о ее регулярной, волновой и стохастической структуре.

Сечение приэкваториальной области ионосферы (север – слева), полученное на основе радиотомографической обработки данных радиомаяковых измерений на сети приемных пунктов (6 приемников) на частотах 150/400 МГц.

В итоге, высокоточные измерения пространственно-временного распределения (регулярной, волновой и стохастической) структуры электронной концентрации над регионами природных и техногенных аномалий и катастроф по данным трансионосферного спутникового зондирования (значения амплитуд и разности фаз радиосигналов когерентных частот, зарегистрированные в одном или нескольких наземных пунктах для конкретных пролетов ИСЗ) позволят проводить:

- выявление аномальных явлений и характерных признаков изменений в ионосфере, связанных с естественными и искусственными возмущениями ионосферы (вулканическая, сейсмическая, циклоническая и грозовая активность);

- глобальный мониторинг ионосферы для исследования структуры и динамики ионосферы с целью изучения физических процессов в ионосферной плазме и уточнения существующих моделей;

- апробацию радиотомографического метода обработки данных, который дает реконструкцию объемной структуры ионосферы над заданным регионом

Сочетание методов радиотомографии и затменного GPS позволит существенно повысить разрешение регистрируемых плазменных структур в ионосфере, как по высоте, так и вдоль земной поверхности (орбиты спутника).

3.1 Научные задачи

Передатчик 2-х частотный "Маяк" предназначен для радиотомографических измерений пространственно-временного распределения регулярной, волновой и стохастической структуры электронной концентрации над сейсмоактивными регионами по данным трансионосферного спутникового зондирования.

3.2 Состав бортовой аппаратуры

Передатчик 2-х частотный "Маяк" ( шифр ОКР- "RBE150/400МГц") состоит из передатчика и двух антенн, кабеля питания и кабеля интерфейса.

Передатчик обеспечивает формирование когерентного непрерывного сигнала на двух частотах: 400±1 МГц и 150±1 МГц

Антенны обеспечивают излучение радиомаяковых сигналов в надир.

№	Наименование параметра	Значение параметра
1	Рабочая частота первого канала	400±1 МГц
2	Рабочая частота второго канала	150±1 МГц
3	Выходная мощность первого и второго канала	не менее 27ДбмВт
4	Напряжения питания постоянным током	от 9 до 32 В
5	Потребляемая мощность по цепи питания	не более 6 Вт
6	Масса передатчика	не более 0,8 кг
7	Габариты передатчика	не более 185×140×60 мм
8	Вероятность безотказной работы за срок службы 12 лет, включая срок активной эксплуатации МКА не менее 7 лет	не менее 0,98

Управление аппаратурой "Маяк" и прием телеметрической информации выполняется через синхронный, последовательный интерфейс со следующими параметрами:

скорость работы	32768 бит/сек;
число бит команды	8;
логические уровни сигналов	0 и +5 В.

Определены три команды управления: включение передатчика, выключение передатчика, передача данных о состоянии приборов. Передача на борт для приборов массивов рабочих программ и служебной информации не требуется.

4. Мониторинг ионосферы в интересах коротковолновой связи

Появление в последние годы специализированных КВ модемов, способных передавать двоичные файлы и данные в радиоканале со скоростью до 9,6 кбит/сек с малой (до 10-9) вероятностью ошибки на бит информации, возродили коммерческий интерес к коротковолновой связи. Такие крупнейшие производители, как Harris, Codan, Motorolla и другие, а также некоторые российские предприятия, приступили к серийному выпуску радиостанций, реализующих алгоритмы автоматического вхождения в связь (ALE – Automatic Link Establishment), перезапросов фрагментов сообщений и исправления ошибок в реальном масштабе времени, минимизации участия человека в процессе радиообмена.

Однако проблема нахождения оптимальных рабочих частот для каждого конкретного сеанса остается по-прежнему актуальной. Дело в том, что системы КВ связи (диапазон частот от 1 до 30 МГц) обеспечивают передачу информации на большие расстояния, до 6-9 тыс. км, за счет отражения радиоволн от ионосферы Земли. Нижняя граница ионосферы располагается на высоте 50-60 км, верхняя на уровне порядка 1000-1500 км переходит в плазмосферу или другие магнитосферные плазменные образования. Высота и профиль отражающих слоев испытывают значительные сезонные и суточные изменения, которые определяются углом солнца в данной точке над линией горизонта. Кроме того, на ионосферу существенно влияет Солнце, количественное значение активности которого выражается числами Вольфа и имеет период около 11 лет. В зависимости от этих параметров меняется так называемая критическая частота (КЧ) – наибольшая из всех частот, которая еще отражается от данного слоя ионосферы при вертикальном распространении радиоволны. В зависимости от текущих параметров ионосфера в КВ диапазоне может как способствовать передаче информации на дальние расстояния, вплоть до кругосветных, так и препятствовать даже на коротких радиотрассах из-за проявления эффектов многолучевости и частотной дисперсии. Довольно часто приходится сталкиваться и с полным разрушением канала связи за счет эффектов аномального поглощения.

Сложное строение среды распространения, а также непрерывное во времени изменение параметров ионосферной плазмы оказывают влияние на распространение радиоволн. Поэтому задачи исследования процессов в ионосфере связаны как с практическими задачами обеспечения устойчивой работы систем радиосвязи, так и с не менее важными научно-исследовательскими задачами мониторинга околоземного пространства. Экспериментальное и теоретическое изучение связи между изменением параметров распространяющихся в ионосфере радиоволн и процессами, происходящими в термосфере Земли, являются актуальными, а внимание к ним не ослабевает и в последние годы.