Оценка эффективности выявления возмущений в ионосфере при обработке данных радиопросвечивания с использованием инварианта радиопросвечивания

США и СССР были пионерами в разработке и применении метода двухчастотного радиопросвечивания космической плазмы с борта космических аппаратов (КА) [1-3]. Идея таких экспериментов с использованием радиопередатчиков КА - определение параметров ионосферы и нейтральной атмосферы на основе наблюдения радиоволн, излучаемых со спутника планеты в сторону Земли и распространяющихся в газовой оболочке планеты. Метод радиопросвечивания земной ионосферы использует радиолинии спутник-спутник, что позволяет осуществлять почти вертикальное сечение всей толщи околоземной газовой оболочки за короткий промежуток времени погружения радиолинии в исследуемую среду, и многочисленные результаты мониторинга ионосферы доказали эффективность метода при изучении вертикальных профилей электронной концентрации в разных районах Земли. Применение метода дисперсионного интерферометра, основанного на зависимости фазовой скорости распространения радиоволн от частоты, позволяет непосредственно определять вариации интегральной электронной концентрации на трассе распространения радиоволн, так как дифференциальное смещение частоты не зависит от движения КА и нестабильности задающего генератора. При просвечивании сферически симметричной разреженной ионосферы (не поглощающей радиоволны) изменения частоты и рефракционного ослабления зондирующего радиосигнала обусловлены вариациями угла рефракции радиоволны из-за влияния ионизованной оболочки. Вариации угла рефракции и, следовательно, вариации частоты и рефракционного ослабления связаны с высотным профилем электронной концентрации интегральными уравнениями, которые в сферически симметричной среде сводятся к уравнению Абеля, а его решение известно. Традиционная методика решения обратной задачи радиопросвечивания позволяет получить сглаженный вертикальный профиль электронной концентрации по измерениям вариаций частоты радиоволны, но возникают неоднозначности при извлечении информации о характеристиках ионосферы и о достоверности выявленных ионосферных неоднородностей разных пространственно-временных масштабов) [4]. Наличие методической погрешности использования интегрального соотношения, аппаратурного шума и случайных вариаций частоты радиоволны, обусловленных погрешностью траекторных измерений и влиянием среды распространения радиоволны за пределами исследуемой ионосферы, будут влиять на качество сведений о слоистых структурах профилей электронной концентрации.
Полученные данные радиопросвечивания выявляют в ионосфере Земли неоднородности разных пространственно-временных масштабов, но природу возмущений не так просто выявить из-за наличия непредсказуемости мешающих факторов [5]. Актуальной задачей является разработка методологии анализа данных радиопросвечивания, обеспечивающей возможность оценки параметров многомасштабных структур в ионосфере и их основных признаков, что позволит решать задачи обнаружения аномалий в среде, выявлять изменения структуры среды и оценивать параметры таких изменений. При анализе данных радиопросвечивания ионосферы Венеры было обосновано новое направление интерпретации данных двухчастотного радиопросвечивания ионизованных оболочек космических объектов – методика детектирования плазменных слоев [6]. Основой методики является корреляция между функциями рефракционного ослабления мощности и скорости изменения частоты зондирующей радиоволны. Высокая точность измерений мощности, частоты и скорости изменения частоты радиоволн с КА Венера-15,-16, а также малое влияние мешающих факторов: флуктуаций генератора радиоволн и параметров среды на трассе распространения радиоволн не только обеспечили экспериментальное доказательство теоретической линейной взаимосвязи вариаций рефракционного ослабления мощности и скорости изменения частоты, но и позволили надежно выделить влияние ионосферы Венеры в экспериментальных данных на фоне влияния атмосферы и шума. Этот метод был апробирован при радиопросвечивании ионосферы Земли ниже 120 км [7], но, к сожалению, измерения мощности сигнала выше 120 км не проводили. В будущих экспериментах радиопросвечивания сильно изменчивой полярной ионосферы Земли целесообразно измерять одновременно и вариации частоты, и вариации мощности зондирующих сигналов во всем интервале высот от 500 до 0 км. Это позволит устранить из анализа малодостоверные профили электронной концентрации (при отсутствии высокой корреляции вариаций мощности и скорости изменения частоты) и доказать достоверность обнаруженных многомасштабных структур в ионосфере Земли (при совпадении вариаций мощности и скорости изменения частоты).
Работа выполнена в рамках государственного задания по теме “Космос”.