Томографические методы исследования верхней атмосферы и околоземного космического пространства: современное состояние и перспективы развития

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В обзоре рассматриваются физические и математические постановки задачи томографии в приложении к дистанционному зондированию атмосферы и околоземного космического пространства. Особое внимание уделено зондированию ионосферы с использованием сигналов спутниковых радиомаяков на низких (Парус / Transit / Cassiope и др.), средних и высоких (GPS/ ГЛОНАСС и новые глобальные спутниковые навигационные системы) орбитах. Обсуждаются возможности и ограничения методов 2D низкоорбитальной и 4D высокоорбитальной радиотомографии ионосферы и приводятся результаты радиотомографических реконструкций распределения электронной концентрации в различных широтах в условиях естественной и искусственной возмущенности. Отдельно рассматривается задача исследования мелкомасштабных ионосферных неоднородностей по данным о мерцаниях амплитуды спутниковых сигналов, обсуждаются проблемы реализации таких схем зондирования в высоких широтах с использованием сигналов GPS / ГЛОНАСС. Также обсуждаются перспективы томографических систем зондирования верхней атмосферы с учетом сильно сократившейся группировки низкоорбитальных спутников, возможности установки спутниковых радиомаяков на новые платформы (CubeSat), а также использование методов радиотомографии в задачах УФ-томографии верхней атмосферы. Представлены первые результаты, полученные с использованием двухчастотного передатчика когерентных сигналов 150 / 400 МГц МАЯК на спутниках “Ионосфера-М” российского проекта “Ионозонд”.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. М. Падохин

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН

Email: achernyshov@cosmos.ru

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Физический факультет

Россия, Москва; Москва, Троицк

А. А. Чернышов

Институт космических исследований РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: achernyshov@cosmos.ru
Россия, Москва

Е. С. Андреева

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: achernyshov@cosmos.ru

Физический факультет

Россия, Москва

М. О. Назаренко

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: achernyshov@cosmos.ru

Физический факультет

Россия, Москва

С. Е. Андреевский

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН; Институт космических исследований РАН

Email: achernyshov@cosmos.ru
Россия, Москва, Троицк; Москва

М. М. Могилевский

Институт космических исследований РАН

Email: achernyshov@cosmos.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Зеленый Л.М., Веселовский И.С. Плазменная гелиогеофизика. Москва: Физматлит, 2008.
  2. Kelley M.C. The Earth’s Ionosphere: Plasma Physics and Electrodynamics. 2nd ed. San Diego: Academic Press, 2009.
  3. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988.
  4. Гуревич В. Нелинейные явления в ионосфере // Успехи физических наук. 2007. Т. 177. № 11. С. 1145–1177.
  5. Streltsov A.V., Berthelier J.-J., Chernyshov A.A. et al. Past, Present and Future of Active Radio Frequency Experiments in Space // Space Science Reviews. 2018. V. 214. Iss. 118. P. 1–30. https://doi.org/10.1007/s11214-018-0549-7
  6. Молчанов А. Низкочастотные волны и индуцированные излучения в околоземной плазме. Москва: Наука, 1985.
  7. Петрукович А.А., Могилевский М.М., Чернышов А.А. и др. Некоторые аспекты магнитосферно-ионосферных связей // Успехи физических наук. 2015. Т. 185. № 6. С. 649–654. https://doi.org/10.3367/UFNe.0185.201506i.0649
  8. Альперт Я.Л. Распространение радиоволн и ионосфера. Москва: Изд-во АН СССР, 1960.
  9. Казаринов Ю.М. Радиотехнические системы. Москва: Академия, 2008. 592 с.
  10. Манаев В.И. Основы радиоэлектроники. Москва: Радио и связь, 1990. 511 с.
  11. Альперт Я.Л. Статистический характер структуры ионосферы // Успехи физических наук. 1953. Т. 49. № 1. С. 49–91.
  12. Ясюкевич Ю.В., Сыроватский С.В., Падохин А.М. и др. Точность позиционирования GPS в различных режимах при активном воздействии на ионосферу мощным КВ-излучением нагревного стенда СУРА // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2019. Т. 62. № 12. С. 906–919.
  13. Astafyeva E., Yasyukevich Y., Maksikov A. et al. Geomagnetic storms, superstorms, and their impacts on GPS-based navigation systems // Space Weather. 2014. V. 12. Iss. 7. P. 508–525. https://doi.org/10.1002/2014SW001072
  14. Chernyshov A. A., Miloch W. J., Jin Y. et al. Relationship between TEC jumps and auroral substorm in the high-latitude ionosphere // Scientific Reports. 2020. V. 10. Iss. 6363. https://doi.org/10.1038/s41598-020-63422-9
  15. Захаров В.И., Чернышов А.А., Милох В. и др. Влияние ионосферы на параметры навигационных сигналов GPS во время геомагнитной суббури // Геомагнетизм и аэрономия. 2020. Т. 60. № 6. С. 769–782. https://doi.org/10.31857/S0016794020060152
  16. Afraimovich E.L., Astafyeva E.I., Demyanov V.V. et al. A review of GPS/GLONASS studies of the ionospheric response to natural and anthropogenic processes and phenomena // J. Space Weather and Space Climate. 2013. V. 3. Iss. A27. https://doi.org/10.1051/swsc/2013049
  17. Kotova D.S., Sinevich A.A., Chernyshov A.A. et al. Strong turbulent flow in the subauroral region in the Antarctic can deteriorate satellite-based navigation signals // Scientific Reports. 2025. V. 15. Iss. 3458. https://doi.org/10.1038/s41598-025-86960-6
  18. Patil A.S., Nade D.P., Taoti A. et al. A Brief Review of Equatorial Plasma Bubbles // Space Science Reviews. 2023. V. 219. Iss. 16. P. 1–25. https://doi.org/10.1007/s11214-023-00958-y
  19. Otsuka Y. Review of the generation mechanisms of post-midnight irregularities in the equatorial and low-latitude ionosphere // Progress in Earth and Planetary Science. 2018. V. 5. Iss. 57. P. 1–15. https://doi.org/10.1186/s40645-018-0212-7
  20. Мандельштам Л.И., Папалекси Н.Д. Новейшие исследования распространения радиоволн вдоль земной поверхности. М.: Гостехиздат, 1945.
  21. Альперт Я.Л. Распространение электромагнитных волн и ионосфера. Москва: Наука, 1972.
  22. Куницын В.Е., Терещенко Е.Д., Андреева Е.С. Радиотомография ионосферы. Москва: Физматлит, 2007.
  23. Iyer H., Hirsava K. Seismic Tomography: Theory and Practice. London: Chapman and Hall, 1993.
  24. Munk W., Worcester P., Wunsch C. Ocean Acoustic Tomography. Cambridge: Cambridge University Press, 1995.
  25. Davies K. Ionospheric Radio. London: Peter Peregrinus Ltd, 1990.
  26. Austen J.R., Franke S.J., Liu C.H. Ionospheric imaging using computerized tomography // Radio Science. 1988. V. 23. Iss. 3. P. 299–307.
  27. Andreeva E.S., Galinov A.V., Kunitsyn V.E. et al. Radiotomographic reconstruction of ionization dip in the plasma near the Earth // JETP Letters. 1990. V. 52. Iss. 3. P. 145–148.
  28. Pryse S.E. Radio Tomography: A New Experimental Technique // Surveys in Geophysics. 2003. V. 24. Iss. 1. P. 1–38.
  29. Bust G.S., Mitchell C.N. History, current state, and future directions of ionospheric imaging // Reviews of Geophysics. 2008. V. 46. Iss. RG1003.
  30. Yizengaw E., Moldwin M.B., Dyson P.L. et al. First tomographic image of ionospheric outflows // Geophysical Research Letters. 2006. V. 33. Iss. L20102.
  31. Prol F., Hoque M., Ferreira A. Plasmasphere and topside ionosphere reconstruction using METOP satellite data during geomagnetic storms // J. Space Weather and Space Climate. 2021. V. 11. Iss. 5.
  32. Tereshchenko E.D., Kozlova M.O., Kunitsyn V.E. et al. Statistical tomography of subkilometer irregularities in the high-latitude ionosphere // Radio Science. 2004. V. 39. Iss. RS1S35.
  33. Dymond K.F., Budzien S.A., Hei M.A. Ionospheric-thermospheric UV tomography: 1. Image space reconstruction algorithms // Radio Science. 2017. V. 52. P. 338–356.
  34. Hei M.A., Budzien S.A., Dymond K.F. et al. Ionospheric-thermospheric UV tomography: 3. A multisensor technique for creating full-orbit reconstructions of atmospheric UV emission // Radio Science. 2017. V. 52. P. 896–916.
  35. Nesterov I.A., Kunitsyn V.E. GNSS radio tomography of the ionosphere: The problem with essentially incomplete data // Advances in Space Research. 2011. V. 47. Iss. 10. P. 1789–1803.
  36. Mannucci A.J., Wilson B.D., Yuan D.N. et al. A global mapping technique for GPS-derived ionospheric total electron content measurements // Radio Science. 1998. V. 33. Iss. 3. P. 565–582.
  37. Fridman S.V., Nickisch L.J., Hausman M. et al. Assimilative model for ionospheric dynamics employing delay, Doppler, and direction of arrival measurements from multiple HF channels // Radio Science. 2016. V. 51. P. 176–183.
  38. Kotova D., Ovodenko V., Yasyukevich Y. et al. Efficiency of updating the ionospheric models using total electron content at mid- and sub-auroral latitudes // GPS Solutions. 2020. V. 24. Iss. 25.
  39. Foster J.C., Buonsanto M.J., Holt J.M. et al. Russian-American tomography experiment // International Journal of Imaging Systems and Technology. 1994. V. 5. Iss. 2. P. 148–159.
  40. Yeh K.C., Franke S.J., Andreeva E.S. et al. An investigation of motions of the equatorial anomaly crest // Geophysical Research Letters. 2001. V. 28. Iss. 24. P. 4517–4520.
  41. Kunitsyn V., Andreeva E., Frolov V. et al. Sounding of HF heating induced artificial ionospheric disturbances by navigational satellite radio transmissions // Radio Science. 2012. V. 47. Iss. RS0L15.
  42. Андреева Е.С., Гохберг М.Б., Куницын В.Е. и др. Радиотомографическая регистрация возмущений ионосферы от наземных взрывов // Косм. исслед. 2001. Т. 39. № 1. C. 13–17.
  43. Куницын В.Е., Нестеров И.А., Шалимов С.Л. Мегаземлетрясение в Японии 11 марта 2011 г.: регистрация ионосферных возмущений по данным GPS // Письма в ЖЭТФ. 2011. Т. 94 № 8. С. 657–661.
  44. Косов А.С., Чернышов A.A., Могилевский М.М. и др. Космический эксперимент по измерению ионосферных задержек сигнала ИЗРС (ионосферные задержки радиосигнала) // Исследование Земли из космоса. 2018. № 9. С. 1282–1290. https://doi.org/10.31857/S020596140003364–1
  45. Bernhardt P.A., Dymond K.F., Picone J.M. et al. Improved radio tomography of the ionosphere using EUV/optical measurements from satellites // Radio Science. 1997. V. 32. Iss. 5. P. 1965–1972.
  46. Mitchell C.N., Spencer P.S. A three-dimensional time-dependent algorithm for ionospheric imaging using GPS // Annales Geophysicae. 2003. V. 46. P. 687–696.
  47. Scherliess L., Schunk R.W., Sojka J.J. et al. Utah State University Global Assimilation of Ionospheric Measurements Gauss-Markov Kalman filter model of the ionosphere: Model description and validation // J. Geophysical Research. 2006. V. 111. Iss. A11315.
  48. Куницын В.Е., Терещенко Е.Д., Андреева Е.С. и др. Спутниковое радиозондирование и радиотомография ионосферы // Успехи физических наук. 2010. Т. 180. С. 548–553. https://doi.org/10.3367/UFNr.0180.201005k.0548
  49. Chernyshov A.A., Chugunin D.V., Mogilevsky M.M. et al. Studies of the ionosphere using radiophysical methods on ultra-small spacecrafts // Acta Astronautica. 2020. V. 167. P. 455–459. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.11.031
  50. Чернышов А.А., Чугунин Д.В., Могилевский М.М. и др. Подходы к исследованию мультимасштабной структуры ионосферы с использованием наноспутников // Геомагнетизм и аэрономия. 2016. Т. 56. № 1. С. 77–85. https://doi.org/10.7868/S0016794016010041
  51. Чернышов А.А., Чугунин Д.В., Могилевский М.М. и др. Изучение неоднородной структуры ионосферы при помощи одновременных измерений наноспутниками стандарта CubeSat // Известия ВУЗов. Приборостроение. 2016. Т. 59. № 6. С. 443–449.
  52. Attrill G., Nicholas A., Routledge G. et al. Coordinated Ionospheric Reconstruction CubeSat Experiment (CIRCE), In situ and Remote Ionospheric Sensing (IRIS) suite // J. Space Weather and Space Climate. 2021. V. 11. Iss. 16.
  53. Petrukovich A., Моgilevskii M., Kozlov I. et al. Monitoring of Physical Processes in Upper Atmosphere, Ionosphere and Magnetosphere in Ionosphere Space Missions // EPJ Web of Conferences. 2021. V. 254. P. 02010. https://doi.org/10.1051/epjconf/202125402010
  54. Андреева Е.С., Назаренко М.О., Нестеров И.А., и др. Использование одноточечного приема сигналов низкоорбитальных спутниковых радиомаяков для локальной оценки ионосферных параметров // Изв. вузов. Радиофизика. 2020. Т. 63. № 11. C. 942–957.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема проведения радиотомографических (РТ) экспериментов по зондированию верхней атмосферы и ОКП

Скачать (19KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схема проведения томографических экспериментов по зондированию термосферы в УФ-диапазоне (а) и соответствующая геометрия лучей зондирования (б) [33]

Скачать (26KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Сопоставление данных радара некогерентного рассеяния (сверху) и РТ (снизу) в период геомагнитной бури 4.XI.1993

Скачать (41KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Реконструкция распределения электронной концентрации в ионосфере в средних и высоких широтах, полученная по данным российской РТ-цепочки

Скачать (25KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Амплитудные мерцания сигнала низкоорбитального спутника для северных приемников российской РТ-цепочки (слева) и реконструкция дисперсии флуктуаций электронной концентрации (справа) [32]

Скачать (26KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Реконструкция распределения электронной концентрации в ионосфере в области экваториальной аномалии

Скачать (22KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Реконструкция распределения электронной концентрации в ионосфере над стендом “Сура” в период проведения экспериментов по КВ-нагреву

Скачать (26KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Распределение sTEC над Европой во время геомагнитной бури октября – ноября 2003 г. по данным GNSS-радиопросвечивания

Скачать (60KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Волновые возмущения в ионосфере после землетрясения Тохоку по данным GNSS

Скачать (41KB)
Метаданные
11. Рис. 10. РТ-реконструкция распределения электронной концентрации в плазмосфере [30]

Скачать (51KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Пример комбинированной РТ- и РЗ-реконструкции в районе Тайваня

Скачать (24KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Пример сопоставления данных УФ-томографии и радара некогерентного рассеяния. Здесь θ – фазовый угол орбиты спутника, отсчитывающийся от точки ее пересечения с экватором на дневной стороне Земли [34]

Скачать (78KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Схематическое изображение расположения спутников “Ионосфера-М” на орбитах (а); взаимное расположение плоскостей орбит спутников в местном магнитном времени (б)

Скачать (24KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Спутник “Ионосфера-М” в полетной конфигурации с раскрытыми элементами конструкции и антеннами. Длинные (светлые) электроды – антенны ионозонда ЛАЭРТ. Плоская конструкция из 4 элементов – солнечная батарея. Вверх от спутника отходит штанга, на которой установлены электрическая и магнитная антенны диапазона ОНЧ. Вниз направлена антенна прибора МАЯК

Скачать (26KB)
Метаданные
16. Рис. 15. Данные наблюдений сигналов прибора МАЯК спутника “Ионосфера-М” на приемном пункте МГУ 03.II.2025 06:06 UT. Слева (сверху вниз): спектр сигнала для канала 400 МГц, квадратурные компоненты и амплитуда сигнала в канале 150 МГц. Справа траектории подионосферных точек спутника на высотах F- (сплошная линия) и E-слоя (пунктирная линия) ионосферы

Скачать (58KB)
Метаданные
17. Рис. 16. Слева: относительный наклонный sTEC по данным приемного пункта МГУ и пролета спутника “Ионосфера -М” 03.II.2025 06:06 UT (синяя линия) в сравнении с данными sTEC по модели NeQuick2 (оранжевая линия). Справа: распределение электронной концентрации вдоль меридиана Москвы во время этого пролета по данным модели NeQuick2 (панель сверху) и модели скорректированной по данным наблюдений (панель снизу)

Скачать (39KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025